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大工学生团队解决核酸检测关键性技术难题

来自:中国科学报  2022年04月12日11:32 
关键词: 核酸 检测 扩增

在当下的疾病诊断和病原菌检测领域,基因检测可以算作是诊断新冠病毒感染的“金标准”。大连理工大学环境学院的本硕学生团队,用两年时间成功完成“基因快速检测技术的开发及其应用”项目研究,开创性地设计了基于线性核酸轨道的恒温高速核酸扩增方法,是传统同类扩增方法速度的5倍左右,为大幅缩短新冠病毒核酸检测时间和实现家用试纸快速检测解决了关键性技术难题。

日前,在2022年第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛上,该项目斩获特等奖。

据介绍,基因检测技术的核心是核酸扩增技术,它是一种将低丰度核酸扩增放大至可检测水平的手段,反应时间约占整个基因检测时间的2/3。因此,要缩短基因检测时间,关键是要完善核酸扩增技术,提升核酸扩增反应速度。

2017年,时为本科生的宋开鋆与研究生王立莹在该校教授刘猛的指导下,对相关研究进行了分析。他们发下,以常见的恒温核酸扩增反应(如滚环扩增)为例,聚合酶通常以环状DNA为模板,可以将结合的目标核酸分子沿着环延伸,其扩增速度一般为400碱基对/每分钟,但远远小于聚合酶在自然现象下的真核细胞中扩增速度(2000-3000碱基对/每分钟)。他们判断,聚合酶体外扩增速度有很大提升空间,但受到DNA模板尺寸、序列、拓扑结构等因素限制而处于较低水平。因此,研究关键在于为聚合酶创造良好运行基础。

研究团队受真核细胞内物质运输的“高速公路”——微管结构和功能的启发,开创性地设计了基于微米线性核酸轨道的恒温核酸扩增方法,通过对核酸扩增模板结构和尺寸进行设计,为聚合酶的高效工作提供有利条件。

“如果把聚合酶当做‘列车’,我们的工作是为它铺设‘高速轨道’,让聚合酶在轨道上飞驰。” 宋开鋆比喻道。

经实验验证,该方法扩增速度接近真核细胞内DNA复制速度,大大缩短了核酸扩增和检测时间。团队还对检测技术进一步升级,成功制备了基因快速检测试纸,10分钟内即可检测到目标基因。