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DNA 晶体管

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1990年,当美国能源部和国家卫生研究院启动了价值 27亿美元的人类基因组计划时,人们对于医药的重大进步寄予了很高的期望。2003年,基因图谱绘制完成时,人类对此有极大的成就感。



基因组测序的未来

为了研制纳米级 DNA 测序器,IBM 科学家在类似计算机的芯片上钻了纳米大小的孔,并且将 DNA 串穿过这些孔,以读取基因代码中包含的信息。如果取得成功,该计划可以提高吞吐量,并降低成本,实现个性化基因组分析的构想—将成本降至 100至 1000美元之间。相比而言,人类基因组计划 (HGP) 完成的第一次测序花费了 27亿美元。

DNA  electrode  metal  insulator  Biasing voltage  ionic solvent  electrode

DNA  electrode  metal  insulator  Biasing voltage  ionic solvent  electrode


DNA 晶体管的架构

偏压引导 DNA 串穿过纳米孔。通常,如果纳米孔中的金属触点不会产生捕获 DNA 的内部电场,DNA 会以每秒几百万个脱氧核糖核酸的速度穿过纳米孔。通过向金属触点交替施加电压,DNA 以可控的方式从顶部排序库到达底部排序库。


个性化医药

在掌握了患者的个人基因组信息后,医生很快能够提供真正的个性化医疗。通过直接查看患者的 DNA,医生可以识别那些指出某些疾病前兆和基因错乱的特定基因标记。了解基因组信息也可以深入了解患者的身体为何排斥某种药物,或者对治疗方案没有达到预期的反应。这样可以从目前的“试错法”转变为基于更多证据和信息的做法提供医疗。


基因的伟大与渺小

1977年,美国现代派设计师 Charles和 Ray Eames 为 IBM 制作了一部关于宇宙中物体相对尺寸的短片—从最遥远的外太空到 DNA 串中一个碳原子的原子核。此后,随着计算机能力的日益提高,我们对宇宙的了解也日益增多。例如,遗传学家现在可以研究从单个人的基因组设计直到地球上人类的历史迁移。DNA 晶体管技术在 7:20时有详细解释。

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然而,即使在今天,完成全部基因组测序并供研究的人在全世界也不到 50个。只有在完成大批人的基因组测序程序之前,医疗科学家才能在疾病诊断和个性化医疗方面取得重大突破。费用是主要的问题。尽管 DNA 测序的成本在过去十年间已经大大降低,但价格仍然高昂—大约每人 10,000美元。据科学家称,成本必须降到接近 100美元,这样才能发挥基因研究的全部潜力。
这正是 IBM 研究院努力的目标。2007年,在位于纽约的 Watson 研究实验室,通过将基因组与半导体技术相结合,科学家 Gustavo Stolovitzky 和 Stanislav Polonsky 发明了一种装置,他们将其称为IBM ® DNA 晶体管,使得精确而且廉价地进行基因材料测序成为可能—最终,他们希望将费用降至每人几百美元。他们的项目是许多有前途的举措中的一个,将在不久的将来打开基因组研究的新领域。哈佛医学院遗传学教授 George Church 提出了这样的问题:“我们能将价格降到多低?对于所有类型的应用系统,计算能力和样本制作都没有限制,而且价格可以持续降低。”
DNA 晶体管的工作原理是:硅膜垂直放到装满溶液的容器中,将其分为两部分。基因材料串放入容器一侧,然后施加电荷—负极通到基因串所在的容易一侧,而正极通到另一侧。正电荷将基因材料串拉到薄膜上的一个微小开口中,或者叫纳米孔。随着基因串穿过开口,电荷和薄膜成分的结合会以一次通过一个基因材料珠的方式移动基因串。这种装置使得精确、快速地读取基因串的基因标记成为可能。
这是一个意外的发明。2007年,专攻基因组学的 Stolovitzky 和专攻半导体与物理学的 Polonsky 在纽约约克高地的 IBM 研究院大楼的走廊上碰巧遇到。他们开始谈论生物学领域的一些挑战。Stolovitzky 说,如果研究人员能够以快速且廉价的方式对人的整个基因组进行排序,医疗领域将实现伟大的进步。两人讨论了使用半导体技术帮助研制快速且廉价的基因测序机器的可能性。在几个星期内,他们提出了现在我们所熟知的 DNA 晶体管的想法。

“生物技术的下一次重大进步是什么?如果您在这个领域中,答案相当简单—您需要知道如何快速且廉价地进行 DNA 测序。”
Gustavo Stolovitzky
IBM 研究员,功能基因组学与系统生物学部门经理
“DNA 晶体管:基因组测序的未来。”Youtube 视频,5:05,IBMSocialMedia 发布,2009年 10月 5日
“如果我们有一个足够大的人类基因组数据库,则可以看到基因组之间的互相影响。这将改变我们的医疗方式。”
Steven Rossnagel
IBM 研究员,材料学,半导体应用

“‘DNA 晶体管’可以使基因测试发生革命性变化”Wired

2009年 10月 6日
“对个性化医疗来说,测序是日益重要的工具。它可以为有效地诊断疾病和有针对性地治疗疾病提供必要的个人基因组信息。我们坚信,这种强大的技术—以及 IBM 和罗氏的强强联合—将使得低成本的完整基因组测序及其带来的好处能够比以前更快地在市场上实现。”
Manfred Baier
罗氏公司应用科学主管

“罗氏和 IBM 共同开发基于纳米孔的 DNA 测序技术”,IBM 新闻稿

2010年 7月 1日
“大家都在努力实现 1,000美元成本的基因组测序。”

“跟上下一代测序浪潮。”基因组技术,GenomeWeb.com

2010年 11月
“通过应用技术生物技术和纳米技术能力的结合,我们正越来越研制出这样的系统:即能够快速且准确地进行 DNA 测序,并且将基因组转化为一医疗相关的基因信息。”
Ajay Royyuru
高级经理,计算生物中心,THOMAS J. WATSON 研究中心

“罗氏和 IBM 携手开发基于纳米孔的 DNA 测序技术”,IBM新闻稿

2010年 7月 1日
“我们尤其对 IBM DNA 晶体管技术技术感兴趣,因为该技术解决了纳米孔测序的基本问题:通过薄膜控制 DNA 分子的移动,以实现核苷酸的精确检测。此外,我们相信这种采用固态硅纳米孔的方法比依赖生物纳米孔的方法更容易扩展。”
Ulrich Schwoerer
全球营销主管,454 LIFE SCIENCES

“跟上下一代测序浪潮。”基因组技术,GenomeWeb.com

2010年 19月
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该项目在 2010年 7月取得了重大进步,因为 IBM 和瑞士大型制药公司罗氏公司宣布共同基于 DNA 晶体管开发商用的基因组测序器。两家企业面临着大量挑战。IBM 人员通过模拟和试验表明,棘轮效应能够起作用。如今,在罗氏科学家的帮助下,他们必须进行更多的发明才能将概念变为现实。他们的目标是很快推出能够运行的原型。Stolovitzky 说:“我们正朝着这个目标努力,到目前为止,物理学并没有反对我们。虽然工程设计问题仍然存在,但我们能够解决这些问题。”
DNA 晶体管是 IBM 研究院跨学科研究如何产生科学突破的例子,而专注于单一领域的学术或企业研究员是不可能实现这些突破的。通过将基因组学、物理学和高性能计算的专业知识结合在一起,IBM 正帮助实现基因组研究的重大进步。IBM 研究院计算生物中心的主管 Ajay Royyuru 表示:“技术为您能观察到什么打开了一扇窗口,让我们能够更多地认识我们周围的宇宙,即基因组宇宙。”
由于这些进步,我们在长达 200,000年的人类历史上第一次能够真正地认识我们自身。
现在,亿亿级计算的竞赛已经开始—比光脉冲或纳米级碳管等新技术在今天的芯片和连接件上移动的速度快一千倍。
IBM 研究院最近围绕 CMOS 整合硅纳米光子而实现的新进展可能帮助 IBM 在竞赛中保持领先。这种新的亿亿级技术将电气和光学设备整合到同一个硅片中,使计算机芯片能够使用光脉冲进行通信—而非电信号—从而研制出更小、更快、能效更高的芯片,而采用传统技术是无法实现这些的。
通过直接将光学设备和功能整合到硅芯片上而提供比当前处理能力高 10倍的能力,目前关于处理能力和速度的规则和限制都将被改写。新一代高性能计算正在诞生,而IBM在科学和商业的交汇点再次开辟了新的天地。

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