美國柏克萊生物工程 利用LED燈加速DNA復制

　　加州大學柏克萊分校的生物工程學家研發(fā)出一項新科技，利用LED光源的開/關提高加熱或冷卻基因樣本的速度，以降低實驗成本并將實驗速度提升數(shù)倍。

　　生物工程學教授，本研究的資深研究員Luke Lee教授表示：“光電PCR系統(tǒng)是一個快速、敏銳且低價的檢測方法。它能與超快基因組檢測芯片結合運作，這能使PCR系統(tǒng)在醫(yī)療領域發(fā)展出實際用途。因為這項技術能夠提供實時血糖檢結果，我們可以使用于各種不同的環(huán)境中，不論是非洲鄉(xiāng)下或醫(yī)院急診室皆適用。”

　　光電PCR在黃金薄層上迅速加熱并冷卻電子，在數(shù)分鐘內(nèi)進行基因復制(影像來源：Luke Lee’s BioPOETS lab)

　　據(jù)7月31刊于《Light: Science & Application》期刊的研究顯示，這個超快溫感調(diào)控技術，大幅擴展聚合酶鏈鎖反應(polymerase chain reaction ,PCR)測試的臨床及研究應用，將原本超過一小時的檢測時間，大幅減至短短幾分鐘。

　　聚合酶鏈鎖反應(以下簡稱PCR)測試藉由復制單一DNA序列，制造出數(shù)千至數(shù)百萬的副本，從復制學研究到鑒證分析及親子鑒定，這樣的技術已經(jīng)成為基因?qū)W應用的重要環(huán)節(jié)。PCR測試多應用于初步診斷遺傳及傳染性疾病，同時用來分析古代木乃伊和長毛象的DNA樣本。

　　1993年，發(fā)現(xiàn)者凱利?穆利斯(Kary Mullis)及麥可?史密斯(Michael Smith)使得PCR測試有重大突破，對現(xiàn)代科學的貢獻，因而得到諾貝爾獎肯定。

　　使用LED，加州柏克萊大學研究人員能在薄層黃金接口上加熱電子及DNA溶液。他們計算加熱溶液的速度，大約為每秒攝氏12.7度。降溫時可達到每秒攝氏6.6度的驚人速度。

　　生物工程學教授，本研究的資深研究員Luke Lee表示：“PCR是很有利且在醫(yī)療界廣泛使用的測試，但是現(xiàn)有的PCR測試系統(tǒng)相對較耗時?？紤]到傳統(tǒng)的加溫器儀器耗電量大且造價昂貴，一般通常在實驗室里進行此測試。由于整個過程大約需一小時，因此不適合用于實時血糖檢測。我們的系統(tǒng)卻能在幾分鐘內(nèi)得出檢測結果。”

　　超快光電PCR測試利用LED燈在薄層黃金表面上復制基因樣本(攝影： Jun Ho Son)

　　傳統(tǒng)PCR測試的耗時之處在于加熱以及降溫DNA溶液的過程太長。PCR檢測需要重復溫度改變才能進行─在三個溫度點之間平均要重復30個循環(huán)─以復制基因的序列。這個過程牽涉到拆解雙煉的DNA序列，并將單煉與其對應鏈結合。隨著每次加熱降溫的循環(huán)，DNA樣本數(shù)將會雙倍成長。

　　為了提高溫度循環(huán)的速度，Lee教授和他的研究團隊利用電漿子光學(plasmonics)的原理，或所謂的光與電子在金屬表面的互動現(xiàn)象。在接收到光照時，自由電子會漸趨活躍而開始震動，產(chǎn)生熱能。一旦切斷光照，振動及熱能就消失。

　　黃金因為其易吸光的效率而成為這種電漿子光學電子熱能加熱的熱門金屬接口。除此之外，其附加價值是能夠植入生物系統(tǒng)中，因此可以用于生物醫(yī)學工程應用。在研究中，研究人員使用120奈米厚的黃金薄層，大概是一個狂犬病病毒的寬度。黃金被置于一片微流道芯片上，用來裝載PCR混合物與DNA樣本。

　　光源為一道置于PCR芯片下方的現(xiàn)成LED燈。LED燈調(diào)整為光加熱效率最高的最大輻射450奈米波長。研究人員能在5分鐘之內(nèi)將整個循環(huán)重復30次由攝氏55度加熱至攝氏95度循環(huán)。他們測試了光電PCR系統(tǒng)復制樣本DNA的效率，發(fā)現(xiàn)結果優(yōu)于傳統(tǒng)PCR測試。

　　此研究的主導研究員Jun Ho Son是Lee教授研究室中的柏克萊博士后研究員。比爾與美琳達?蓋茲基金會以及韓國國家研究基金會贊助支持此研究。

　　由此研究能夠預見， LED與生物科技結合的例子，預期未來會越來越多，不只是植物照明、醫(yī)美光源而已。