在個體化醫(yī)療前景的誘惑下，研究人員將研發(fā)出更有效的基因測序新方法視為首要任務(wù)。如今，賓夕法尼亞大學物理學家利用固態(tài)的納米孔區(qū)分單鏈DNA分子，這一有前景的技術(shù)，在DNA穿過納米孔時，通過檢測電流變化進而讀取DNA序列。相關(guān)研究發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。
這一稱為DNA轉(zhuǎn)運測量的技術(shù)讓DNA鏈（溶解在鹽溶液中）在施加電場條件下被驅(qū)動穿過開口膜，當DNA鏈上的每一個堿基穿過孔時，同時它會阻止一些離子通過；納米孔芯片上的信號放大器能記錄電流由此而導致的下降。由于每個堿基在體積上各不相同，研究人員希望能利用電流數(shù)據(jù)推測出堿基序列，但是考慮到堿基體積差異小，納米孔和膜片兩者的面積需要接近DNA鏈本身，這是一個很大挑戰(zhàn)。
在測序領(lǐng)域最接近商業(yè)應(yīng)用的納米孔設(shè)備取材于蛋白質(zhì)孔和磷質(zhì)雙分子層，其中蛋白質(zhì)孔具有理想面積，而那些磷脂雙分子膜像肥皂膜一樣，在耐用性和穩(wěn)定性上有待改進。
較易轉(zhuǎn)運以及整合電子元件的固態(tài)納米孔設(shè)備(由固態(tài)薄片制成)優(yōu)越于相同功能的生物學納米孔，但是它在檢測不同堿基靈敏性上具有進展相對較慢的基礎(chǔ)原理驗證。
Drndi? 稱：“雖然生物學納米孔已證實能測序單核苷酸鏈，但是我們?nèi)灾铝τ诮鉀Q不利于固態(tài)納米孔設(shè)備發(fā)展的兩大挑戰(zhàn)：制造體積合適的納米孔以及實現(xiàn)信號強、低噪聲和片段長短幅度大的測試。”
納米孔區(qū)分不同堿基的機制是堿基阻塞的孔徑大小，因此，孔徑越小，準確性會越高。對于那些能有效測序堿基的納米孔，它的直徑必須接近DNA的，其厚度必須接近相鄰堿基的長度，約為0.3納米。
為了獲得面積微小的固態(tài)納米孔和膜片，研究人員（包括Drndi?小組在內(nèi)）利用石墨烯等尖端材料。在六角形晶格的石墨烯膜片中，單層碳原子在寬度上能窄到0.5納米，不過其缺點還有待解決，例如，這種材料本身具有疏水性，讓DNA鏈很難通過。
Drndi?和同事在研究中利用不同材料（氮化硅）去研制納米孔，這一材料經(jīng)過處理后具有親水性，能夠讓DNA很容易進行移位（過去的十年內(nèi)其他研究人員已證實）。此外，新研制的膜具有約5納米的厚度，不過在納米孔上特定方法可讓氮化硅像石墨烯一樣薄。
Drndi?和同事利用氮化硅納米孔重復(fù)測試同一堿基的單一DNA鏈，能明確檢測的是三個堿基（腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶），而另一堿基鳥嘌呤組成同聚序列后很難通過納米孔。
Drndi?稱：“我們發(fā)現(xiàn)：這些微孔敏感于堿基種類；直徑為1或2納米的孔都能產(chǎn)生同樣結(jié)果，這一結(jié)果表明不同的制作方法是允許的。”
以單分子實時測序為代表的第三代測序技術(shù)
>>Life Technologies公司的Ion Torrent
其核心技術(shù)是使用半導體技術(shù)在化學和數(shù)字信息之間建立直接的聯(lián)系。在半導體芯片的微孔中固定DNA鏈，隨后依次摻入ACGT。隨著每個堿基的摻入，釋放出氫離子，在它們穿過每個孔底部時能被檢測到，通過對H+ 的檢測，實時判讀堿基。
Ion Torrent 半導體測序芯片的每個微孔里微球表面含有大約100 萬個DNA 分子拷貝。測序時一個個核苷酸分子連續(xù)流過芯片微孔。如果核苷酸與特定微孔中的DNA 分子互補，則該核苷酸被合成到DNA 分子中，并且釋放氫離子，該孔溶液的PH 發(fā)生變化。離子傳感器檢測到PH 變化后，即刻便從化學信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信息。如果DNA 鏈含有兩個相同的堿基，則記錄電壓信號是雙倍的。
如果堿基不匹配，則無氫離子釋放，也就沒有電壓信號的變化。這種方法屬于直接檢測DNA 的合成，因少了CCD 掃描，熒光激發(fā)等環(huán)節(jié)，幾秒鐘就可檢測合成插入的堿基，大大縮短了運行時間。
>>Pacific Bioscience公司PacBio RS
該測序儀的工作原理是，將基因組的DNA斷開成許多很小的片段，這些小DNA片段制成溶液后滴入測序儀內(nèi)的金屬薄片上，金屬薄片中分布著3000個納米級小孔，這些納米孔的直徑不到70納米，被滴入薄片上后，小DNA片段會分散到不同的納米孔中。每個納米孔中涂有一種特殊的酶——DNA聚合酶，DNA聚合酶的特性是，能夠沿著DNA片段的雙鏈結(jié)構(gòu)游動，在游動的過程中將DNA片段的雙鏈結(jié)構(gòu)打開，分成兩個片段，也可為某個DNA單鏈找到對應(yīng)的片段，重新組合在一起，科學家將DNA聚合酶的作用形象地比喻成衣服的拉鏈，可開可合。
測序儀就是利用DNA聚合酶來“竊取人類的自然本性”的。一旦DNA片段在納米孔中分散完畢，向聚合酶分子滴入經(jīng)過特殊處理的核苷酸溶液，謎底就會被揭開。核苷酸溶液中的每個核苷酸都用磷光染色劑做過標記，金屬薄片的底部也有一個縮微版光譜儀，一旦DNA片段中有核苷酸與之配對，標記物就會發(fā)出特定顏色的光，縮微版光譜儀就能檢測并記錄下這些閃光，測序儀從而記錄下每個DNA片段中的堿基對順序。當閃光記錄完之后，結(jié)果會輸入計算機中，計算機破譯出所有的DNA片段結(jié)果，并重新“組裝”，讓基因組恢復(fù)原樣。
