工作原理：第一款一次性 USB 供电基因组测序仪

第一个人类基因组测序耗时 13 年，耗资 30 亿美元——现在，不到十年后，一家新公司承诺在 15 分钟内以极低的价格完成全基因组测序。如果这种效率的指数级增长和价格的下降听起来像是计算机行业的事情，那是因为它确实是。多核处理器和可定制集群正在进入基因测序领域，威胁着颠覆现代医学中最重要的行业之一。

牛津纳米孔技术有限公司 (Oxford Nanopore Technologies Ltd.) 表示，其新型微测序仪（其中一种采用 USB 供电，零售价为 900 美元）可在野外快速轻松地使用，识别从机场的病毒到丛林深处的新物种等各种生物。下面介绍其工作原理。

为了确定核苷酸碱基的排列方式，大多数测序仪会将 DNA 链分开并复制，将其扩增几个数量级。计算机使用从染料到其他化学物质等各种方法来推断核苷酸的排列。以即将推出的单价 1,000 美元的 Ion Proton 基因组芯片为例。它将 DNA 片段附着在微珠上，并将它们旋转到半导体芯片上的微孔中。孔中充满了每个 DNA 核苷酸，然后机器寻找匹配的碱基。当匹配时，会释放出一个正氢离子，算法会解释由此产生的电压变化以确定哪些碱基匹配，从而构建碱基排列图表。

相反，牛津纳米孔公司的技术保持纯化的 DNA 链完整，使其通过由蛋白质制成的纳米级生物“孔”。纳米孔于 20 世纪 90 年代首次出现，但由于各种原因尚未进入市场。牛津纳米孔公司表示，聚合物化学领域的最新进展使其设计成为可能。

该公司设计的核心是定制设计的纳米孔，插入位于微孔顶部的聚合物膜中。膜具有高电阻，施加电压后电流会通过纳米孔。每个微孔都有自己的电极。用户将一些纯化的 DNA 倒入墨盒中，DNA 会流过膜并穿过纳米孔。当 DNA 链穿过孔时，其每个核苷酸都会以可测量的方式中断电流。这种电导率的变化可用于识别核苷酸。

使用典型的半导体制造技术，将整个纳米孔阵列及其微孔嵌入芯片中，然后将其插入一次性墨盒中。每个墨盒的构造都使纳米孔能够感应特定分子 - 如 DNA，也可能是蛋白质、药物或其他化合物。用户将墨盒插入所选的测序节点：GridION 节点（看起来像老式 VCR）或 MinION 系统（略胖的 USB 棒）。

每个纳米孔独立分析其样本。据该公司称，这种大规模并行方法可以加快分析速度——纳米孔可以实时读取核苷酸，错误率很低。此外，GridION 节点可以用作可定制集群，就像计算机一样——如果您有两台机器，您可以将它们用作两台机器，也可以用作一台运行速度快两倍的机器，正如公司发言人所描述的那样。用户将能够确定他们想要的配置。MinION 设备也可以使用该公司的软件和 USB 集线器以集群形式工作。

“牛津纳米孔公司既是一家电子公司，也是一家生物技术公司。”公司首席执行官戈登桑格拉 (Gordon Sanghera) 表示。

该公司尝试使用细菌病毒 Phi X 噬菌体，一次性测序了该病毒的整个 54,000 个碱基（即 5.4 千碱基）基因组。今年上市的首批 GridION 机器将读取 100 千碱基，这比大多数当前测序仪使用的 DNA 片段要长得多。该公司表示，这将使人们更准确地了解 DNA 的结构。

最初，GridION 系统将配备一个包含 2,000 个纳米孔的节点，每秒可以读取数百千碱基对的 DNA。MinION 盒在其六小时的使用寿命内每小时可以读取 150 兆碱基对。到 2013 年，该公司计划开始销售 8,000 个纳米孔节点，每个节点可以读取数百千碱基对。Sanghera 表示，理论上，20 个这样的节点组成的集群可以在 15 分钟内对人类基因组中的 32 亿个碱基对进行测序。