基于纳米操纵的生物信息原位获取

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1、基于纳米操纵的生物信息原位获取胡钧中国科学院上海应用物理研究所上海交通大学2003年９月.杭州１．背景２．目标和研究内容３．已有基础研究背景纳米尺度生物信息获取随着生物学研究的不断发展和深入，越来越需要得到单个细胞、单个分子内部纳米尺度原位的生物信息，如基因的时空表达,蛋白质折叠等。生物体系往往是由多样化的分子组成的复杂体系，这种多样化的组成发生在微观层次，从微米一直延续到纳米尺度。研究背景局限于单个基因的分析通常不能进行定性研究(如突变)分辨率不够NatureMol.CellBio.2003,4:605-612Nuclearspeckles传统的原位生化染色技术（immunohisto

2、chemistry&in-situhybridization）仅可以获得局域的生化信息,在纳米尺度分析上具有相当大的局限电子显微技术空间分辨率足够但染色方法有限只能够用于成像大鼠肝巨噬细胞Fc受体胶体金染色复旦大学医学院研究背景Pickuponeinterestedindividualfromthemixturebymicro-manipulationforconventionalbio-analysis研究背景研究背景LCM（激光获取微切割）使得从复杂生物体系中获取小个单位进行分析成为可能，但分辨率受限cgap-mf.nih.govＭＣＮ（针尖获取纳米切割）将纳米操纵技术和高灵敏的生化

3、分析技术结合起来，微纳米操纵的精度决定空间分辨率，而生化分析的灵敏度决定信息的获取灵敏度microdissectionnanodissection研究背景D.Eigler,1990原子、分子的纳米操纵技术是纳米科技的核心技术之一研究背景研究背景不同于非生物体系的单分子操纵技术，由于DNA可以被扩增到宏观量，所以可以进行随后的信息分析我们在对单个生物分子的纳米操纵方方面发展了独创的技术，并取得了若干关键性进展。进一步开展对当前生物分子的纳米操纵技术原位获取生物信息是非常必要的,也是完全可能的。JunHuetal,NanoLetters(2002)研究目标我们旨在建立一种基于纳米操纵的生物样

4、品分离、扩增和分析技术,以此在纳米尺度获取生物信息。(这里所谓的生物信息，主要是指与生物学功能相关的一些信息，比如是什么蛋白分子、ＤＮＡ或ＲＮＡ的序列信息等)主要研究内容ＤＮＡ分子的精确纳米操纵技术；纳米操纵获得的单个DNA模板的ＰＣＲ扩增；一种新型的纳米测序方法研究MolecularcombingSinglemoleculePCRNano-cuttingofinterestedregionPicking-upSequenceanalysisStretchingSingleDNAmoleculesDNAsubstrateeTransferDNAtovialAFMTip基于纳米操纵在单分子

5、水平上获取生物信息SeriesoftechniqueshastobedevelopedDNAalignmentPreciselynano-manipulating(cutting,sweeping,folding,picking-up,dipping,…)SinglemoleculePCR……AlignmentofDNAstrand与宏观世界不同，针尖与单个分子或原子的相互作用力主要是vanderwaals力？It’sdifficulttopickupDNAincontrolwithasingleAFMtip单分子ＰＣＲ1kbpNano-dissectionandisolationofs

6、ingleDNAfragmentsinorderbyAFMtipAmplificationbysinglemoleculePCR1231231kbpSequencinginorderAStrategyforOrderedSequencing拟重点解决的科学问题或关键技术⑴对DNA片段快速地切割和提取的单分子操纵技术用AFM针尖对DNA单分子切割和分离涉及到针尖与样品、样品与表面之间复杂的相互作用，目前还没有关于用AFM针尖连续切隔和分离过程的报道。⑵单分子PCR扩增技术物理方法（切割和拾取）是否会损伤DNA模板进而影响PCR扩增的效率是一个要认真考虑的问题；另外，如何实现单分子DNA为模

7、板的PCR扩增的较高效率也是很关键的问题。已有基础“单分子探测与操纵实验室”自９０年代初长期从事AFM及其生物学应用研究。９５年开始ＤＮＡ分子的微纳米操纵研究。负责人在AFM方法学研究上有自己的特点和优势(曾经在Science上发表文章并有相应国际专利),在生物大分子的操纵研究上最近已经实现了DNA分子的纳米图形构造。DNA的拉直与单分子成像20umx20umDNA的单分子操纵(切割与拾取)APS－云母AFM针尖切割力10－8牛顿