Nature子刊，PNAS两篇发表纳米生物学新技术

　　

生物通报道：纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。近期两个研究小组取得了这方面的重要成果。

来自加州大学圣塔克鲁斯分校研究人员与牛津纳米孔技术有限公司的研究人员合作发明了新一代电子单分子DNA测序技术，这一研究成果公布在Nature Nanotechnology杂志上。

接二连三的个人基因组图谱绘制陆续完成，说明了第二代测序技术的强大力量，但是第二代测序技术很快就遇上了强劲的对手——第三代测序技术，也就是被称为下下一代的测序（next-next-generation sequencing）的直接测序方法。这一测序技术是基于纳米孔（nanopore）的单分子读取技术，不同于之前的两代技术（需要荧光或者化学发光物质的协助下, 通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的），可以直接读取序列信息，简洁快速。

第三代测序技术则是基于纳米孔的单分子读取技术，这种方法读取数据更快、有望大大降低测序成本，改变个人医疗的前景。这一技术的研发是系统工程，涉及生物、半导体、计算机、化学、光学等多个领域，需要不同学科顶尖力量的合作。

在最新的这篇文章中，研究人员描述了单链DNA（ssDNA）在纳米孔移动位置的过程，并发明了新一代电子单分子DNA测序技术。ssDNA的运动被聚合酶催化的单个DNA分子的复制所控制且ssDNA的运动能够在电子控制下启动。当ssDNA离开纳米孔口的时候，溶液中聚合酶活性受到抑制；然而，当纳米孔捕捉到ssDNA的时候，聚合酶发生功效，对ssDNA发生作用。

在这项技术中，应用80mV电压，ssDNA在 T7 DNA 聚合酶作用下通过纳米孔，离子电流在DNA聚合酶通过该孔的同时被测量。电流的变化可以毫秒级别的速度来鉴定DNA分子上的碱基种类，从而完成DNA的测序。这项工作首次实现了应用电子反馈来控制DNA链运动，并且聚合酶可以在ssDNA处于纳米孔端部区域时移动此链。

另外来自澳大利亚墨尔本大学物理学院量子计算机技术中心等处的研究人员利用量子纳米技术帮助药物研发，这一研究成果公布在PNAS杂志上。

用微小的金刚石制成的传感器可能让科学家更仔细地观察细胞过程，这在未来有可能带来更有效的药物。当纳米金刚石的一个原子被氮原子取代从而形成一个氮空位（NV）中心的时候，它变得具有弱磁性。电磁力影响着氮空位（NV）的行为，科学家因此探测到了这种金刚石对光的响应的变化模式。由于金刚石的氮空位（NV）中心无毒，科学家提出可以把它们用于生物传感器，但是迄今为止人们对于基于氮空位（NV）的探测器在复杂生物环境下的行为知之甚少。

在这篇文章中，研究人员利用数学方法分析了基于氮空位（NV）的纳米金刚石探测器在细胞离子通道附近的量子行为。离子通道是控制穿过细胞的带电粒子流的关口。这组科学家报告说，这种探测器的灵敏度应该足够发现一个离子通道的“开”和“关”状态，而不受水分子运动、细胞膜的磁场以及外部静电场等背景效应的影响。这组作者提出，这种探测器可能以较高的时间和空间分辨率探测离子通道的功能，比现有方法有创程度更低。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Monitoring ion-channel function in real time through quantum decoherence

In drug discovery, there is a clear and urgent need for detection of cell-membrane ion-channel operation with wide-field capability. Existing techniques are generally invasive or require specialized nanostructures. We show that quantum nanotechnology could provide a solution. The nitrogen-vacancy (NV) center in nanodiamond is of great interest as a single-atom quantum probe for nanoscale processes. However, until now nothing was known about the quantum behavior of a NV probe in a complex biological environment. We explore the quantum dynamics of a NV probe in proximity to the ion channel, lipid bilayer, and surrounding aqueous environment. Our theoretical results indicate that real-time detection of ion-channel operation at millisecond resolution is possible by directly monitoring the quantum decoherence of the NV probe. With the potential to scan and scale up to an array-based system, this conclusion may have wide-ranging implications for nanoscale biology and drug discovery.