超速光电PCR技术——5分钟完成的快速PCR技术

摘 要:

PCR是分子生物学实验室常见技术,被广泛用于生物学的各个研究领域。PCR技术出现以后发展缓慢,至今没有大的改进与创新,是高通量测序的一个限制因素。最近研发出的超速光电PCR技术能显著加快PCR反应的变性、退火的度,可将PCR过程控制在5分钟内,而目前的PCR仪器约要花费一个小时才能完成。

关键词:

PCR(聚合酶链式反应)是分子生物学实验室常见技术,也是DNA测序的必须步骤。PCR技术自出现以来,就被广泛用于生物学的各个研究领域,对生物学的发展起到了极大的推动作用。然而,相比于其他分子技术,PCR技术出现以后发展缓慢,至今没有大的改进与创新,是高通量测序与规模化检测的一个限制因素。

虽然不少研究成果加快了PCR系统的扩增速度,但是还没有能够开发出一个明显快于现有的DNA变性、退火速度的新热循环过程。多年来,科学家们一直致力于研发具备低消耗、操作简易,体积小等优势的超快速PCR仪。它的超快速度将对即时诊断产生重大影响。

最近,加州大学伯克利分校的生物工程教授Luke Lee博士和他的团队研发出一种超速光电PCR技术——能显著加快PCR反应中DNA变性、退火的速度。设计原理:当暴露于光照下,自由电子活跃震荡产生热量。一旦光线关闭,电子停止震荡,不再产生热能。

基于上述物理学原理,为加快温度循环的速度,研究人员采用了一种具备高效吸收光能、在光谱分析中常用的材料——黄金,选取厚约120nm的薄片黄金包裹包含微流体的塑料芯片,其上可放置混有PCR反应液和DNA样本的溶液管。

研究人员选取峰值波长在450nm左右的LED灯,用光激活黄金薄膜表面的电子,达到每秒13℃的速度加热DNA溶液。同样,冷却时,温度以每秒6.6℃的速度下降。

55℃升温至95℃且循环30次的PCR过程可控制在5分钟内,而目前的PCR仪器约要花费一个小时才能完成。

为了证明他们新开发的系统具有实际应用价值,研究人员运用光子PCR仪器扩增DNA样品,结果正常。光电PCR仪速度快、灵敏度高、成本低。科研人员还正在研发超速基因诊断芯片。这个技术能够提供即时结果,应用前景广阔。

相关研究成果于2015年7月31日在线发表于《 Light: Science & Application》。

参考文献:

Ultrafast photonic PCR

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