新晋诺奖得主:造测序仪,上火星!

文摘   2024-10-14 21:43   上海  

2024年的诺贝尔生理学或医学奖授予了两位美国科学家维克托·安布罗斯(Victor Ambros)和加里·鲁夫昆(Gary Ruvkun)。两位科学家突破性地发现了微小RNAmicroRNA)及其在转录后基因调控中的关键作用,诺奖委员会称他们揭示了一种全新的基因调控原理。

作为哈佛医学院的遗传学教授,鲁夫昆的主要研究兴趣除了microRNA RNA 干扰机制、细菌和动物微生物组相互作用的遗传分析、免疫和衰老的神经内分泌控制等之外,还有一个很特别的,那就是探索其他星球上的生命。

过去20多年来,鲁夫昆与其他几个科学家合作,希望开发一种小型测序仪,发送到火星或其他星球上,用来检测和测序DNA

他可能是第一个认真地在思索如何将 DNA 测序仪送往火星或其他星球上去的人,至少是第一个诺贝尔奖得主。

公开的文献显示,自 2000 年以来,鲁夫昆就在设计一种小型DNA测序仪。当然,他的兴趣不是为了寻找火星人,而是验证更为基础的理论,就是DNA RNA 可能在地球和火星之间进行过交换,也许是在太阳系演化的早期,将生命从一个星球带到另一个星球。因此,他需要寻找和测序火星上的DNA来测序这一假设。而这里的测序又是必要的,因为它可以证实生命的发现及其与地球生命的深层分支关系,也能够排除污染。

2000年左右,人类基因组计划还在紧锣密鼓地进行中,而现在所谓的二代测序、高通量测序也还在萌芽中。

之后的几年中高通量测序技术百花齐放,桌面式台式测序仪也应运而生。这为鲁夫昆等人的火星探索提供了充足的借鉴和动力。

根据公开的报道,他们在2005年开始一直在开发一种名为SETG(搜寻地外生物基因组)的测序仪,SETG 测序仪将需要能够采集火星土壤样本,并对其进行处理,以分离出任何可能的生物,无论是活的还是死的(大约在过去一百万年内)。配备深钻的火星探测车可以挖掘出土壤样本。如果泥土中存在任何生命形式,SETG 将扩增它们的 DNA RNA,然后搜索地球生物中常见的基因序列。理想情况下,这一切都将在火星表面完成,无需将泥土拖回地球。

2012年前后,鲁夫昆等人使用了由Ion Torrent公司制造的芯片,可以在现场实现SETG 的部分功能。但随着牛津纳米孔公司在2014年推出手持式测序仪之后,团队的努力似乎逐渐转向了使用纳米孔测序。

2011年展示,这个 1 英寸 x 1 英寸的芯片是 SETG 仪器原型的一部分。微小的通道输入要分析的样本并控制芯片上的流体回路。蓝光激发荧光染料,帮助识别 3072 个立方室内的 DNA,每个立方室的宽度大约相当于人类头发的宽度。

MinION DNA 测序仪可以检测少量陆地土壤中存在的微生物,并且已经实现了在国际空间站的实时测序。2016 8 月,美国宇航局宇航员凯特·鲁宾首次在太空进行了 DNA 测序,而两年后,美国宇航局宇航员里奇·阿诺德更是首次使用不依赖培养的方法在空间站上对 DNA 进行测序,演示了生物分子提取和测序技术 (BEST)。这一过程使得不再需要在分析前花费时间和资源来培养细菌。纳米孔测序技术被理论论证可适用于火星等极端应用,提供研究外星样本所需的工具。

为了持续改进SETG的功能,他们要验证或者还需要开发、调整能够抵抗辐射的测序芯片、生物试剂,并使其能够适应火星的重力环境;开发从土壤中自动化提取DNA,原位建库,并能实现低样本起始量的高效测序分析工作流程。随后需要在合成样本、模拟环境等进行测试、数学建模及推导论证。

最终的目标是将这些功能整合在一个小型的、鞋盒大小的仪器中实现,坐上火星探测器,登陆火星。

除了测序核酸,在去年发表的论文中,鲁夫昆等人还开发了基于量子隧穿Nanogap的固态纳米孔单分子检测设备(ELIE),用来寻找氨基酸,如L-脯氨酸的单分子检测。理论上,固态量子电子隧道传感不光是可以用于检测氨基酸,也可以用来检测核酸等分子。

尽管 DNA 是地球上所有生命所共有的,但它可能不存在于外星生命中。或者即使存在,也可能与外星生命大不相同,为寻找地球生物而建造的 DNA 探测器能检测到这些火星生命吗?火星上的生命可能具有相反的手性,这些都对于探测器的能力提出了比较高的要求。

但如果能同时检测数百种不同类型、不同形式的蛋白质、多糖和其他生物分子(包括 DNA 本身),那无疑是一个强大的生命探测器。而现在看起来,似乎纳米孔传感技术更接近这个目标。

但火星上真的有DNA吗?会不会是登陆的航天器从地球带过去的的生物污染?

如果SETG将来能够在火星上探测并测序DNA,它可能会改写我们对人类起源的认识。那个时候的基因检测或许能提示你的外星血统,告诉我们和火星人到底是什么关系。

参考:

https://www.ruvkun.hms.harvard.edu/

https://www.forbes.com/sites/matthewherper/2010/12/14/the-dna-sequencer-that-could-go-to-mars/

https://www.researchgate.net/publication/310327475_SETG_Nucleic_Acid_Extraction_and_Sequencing_for_in_situ_Life_Detection_on_Mars

https://news.mit.edu/2019/how-to-detect-life-on-mars-0617

https://www.pxl.earth/research-all/setg

DOI: 10.1089/ast.2022.0119

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