DNA物理图谱对于DNA的分子克隆、基因定位、核酸序列测定及进化比较等方面的研究都有重要意义，尤其在DNA结构变异检测和全基因组单体型组装中有着重要应用。今年，Bionano公司也推出了新款基因组图谱绘制系统Saphyr™，能够高效地发现处于其他技术盲点上的基因组信息。

目前，基因组物理图谱测绘的常用技术有DNA测序和荧光原位杂交（FISH）等。DNA测序虽然可以精确分析单个碱基，但是仍存在读长短，无法精确分析大片段基因组等不足，难以有效、准确地绘制大面积基因组图谱。与之相反，诸如荧光原位杂交（FISH）的生物医学成像技术虽然能够分析大片段基因组，但是分辨率较低，无法进行精确分析。许多科学家也在为弥补现有技术的不足而努力。

Jason Reed博士

近日，由VCU梅西癌症中心癌症分子遗传学研究计划成员、弗吉尼亚联邦大学物理学家Jason Reed博士领导的研究小组开发了一项新的成像技术——高速原子力显微镜（HS-AFM）纳米成像技术。研究人员通过将HS-AFM和基于CRISPR的化学条形码技术结合，HS-AFM纳米成像技术几乎能够与DNA测序一样准确地绘制DNA单分子物理图谱，同时能以更快的速度处理大片段基因组。此外，这种成像技术可由普通的DVD光学器件驱动。相关研究成果发表于著名学术期刊Nature Communications，题为“DNA nanomapping using CRISPR/Cas9 as a programmable nanoparticle”。

图：HS-AFM检测Cas9标记DNA的工作流程

据了解，这种新型成像技术在达到几十个碱基分辨率的同时，可以分析大片段基因组生成图像。研究团队已经使用该技术成功绘制了DNA单分子物理图谱。Reed博士表示，新的纳米成像技术弥补了现有DNA测序和其他物理制图技术的不足，并将改变致病基因突变的诊断和发现方式。

说到这儿，可能有些同学还不甚了解什么是原子力显微镜？

其实，这项技术还是诞生于上个世纪。1989年，IBM科学家成功研发了原子力显微镜（AFM）技术。AFM是利用微针与分子之间的相互作用对样品进行扫描，这种微型触针（类似于唱片播放器上的针）几乎不接触被研究材料的表面。但由于传统AFM对于医学应用来说太慢，所以主要由材料学工程师使用。

图：用作传感器的DVD播放器部件检测Cas9标签

而HS-AFM纳米成像技术同样使样品快速通过触针，不仅可以达到与传统AFM相同的细节级水平，并将处理材料的速度提高1000多倍。研究团队还证明这项技术可以使用DVD光学设备生成DNA物理图谱。

图：HS-AFM可准确定位DNA上的sgRNA-Cas9复合物

此外，Reed博士和同事还开发一种巧妙的CRISPR 化学条形码技术，通过改变CRISPR酶的化学反应条件，使其仅作为标记粘附在DNA分子表面，而不进行实际切割。研究人员绘制了淋巴瘤活检中的基因易位图谱，并使用几种针对BRCA1、HER2和TERT基因序列的特异性sgRNA来证明CRISPR酶标记的有效性和精确性。研究人员惊奇地发现，通过这种方法，CRISPR酶对DNA分子的键合率接近90%，并能够精准识别DNA中的突变基因。

Reed博士表示，HS-AFM纳米成像技术有很多潜在的用途，尤其是医疗方面的应用。的研究团队目前正在开发基于现有算法的一款软件，希望能够在成像技术的基础上，进一步分析DNA片段中多达一百万个碱基。

不难想象，一旦完成设计，这个鞋盒大小的仪器将在基因突变相关疾病的诊断与治疗中发挥重要作用。

参考文献：

Revolutionary imaging technique uses CRISPR to map DNA mutations.

CRISPR/Cas9-Labeled DNA Imaged with DVD Optics.

DNA nanomapping using CRISPR-Cas9 as a programmable nanoparticle.