技术变革：超速光电PCR技术

最近，加州大学伯克利分校的生物工程学家，开发出一种新技术，通过用一种光开关，加速遗传学样本的加热和冷却，有望使PCR这种实验室主力工具更便宜、更方便，并将其速度提高很多倍。

研究人员在七月三十一日的Nature子刊《Light: Science & Application》描述了这种涡轮增压热循环，其显著扩大了聚合酶链反应（PCR）试验的临床和研究应用，可在几分钟而不是一个小时或更多的时间内得出结果。

PCR检测――扩增一段DNA序列的单拷贝以产生数千到数百万个拷贝，在基因组学应用中已经变得很重要，从克隆研究到法医分析到亲子鉴定。PCR技术被用于遗传性和传染性疾病的早期诊断，并用于木乃伊和猛犸象古DNA样本的分析。

1993年，Kary Mullis和Michael Smith因为发明了PCR试验，获得了当年的诺贝尔化学奖，自那以后，PCR对现代科学的巨大冲击已经是公认的。

使用发光二极管（LEDs），加州大学伯克利分校的研究人员能够加热金薄膜和DNA溶液界面处的电子。他们能够以每秒55度的速度加热反应溶液。冷却速度同样令人印象深刻，每秒钟大约43.9度。

本研究资深作者、生物工程教授Luke Lee说：“PCR技术是强大的，它已被广泛应用于许多领域，但是，现有的PCR系统是比较慢的。通常是在实验室完成的，因为用于这一实验的常规加热器，需要大功率，并且是昂贵的。研究人员往往需要一个小时或更长的时间来完成每一次测试，因此将其用于点护理诊断是不实用的。我们的系统可以在几分钟内产生结果。”

传统PCR试验的速度较慢，是因为它需要时间来加热和冷却DNA溶液。PCR检测需要重复的温度变化――在三个不同温度平均进行30次热循环，才能扩增出基因序列，这个过程涉及打断双链DNA，并将匹配引物与单链结合。随着每个冷热周期，DNA样品的量加倍。

为了加快这种热循环的步伐，Lee和他的研究团队利用等离子体，或光和自由电子在一块金属表面的相互作用。当暴露在光线下的时候，自由电子会很兴奋并开始振荡，从而产生热量。一旦光被关闭，振荡和加热就会停止。

事实证明，金因其离子体光热加热，是一种受欢迎的金属，由于它能如此有效地吸收光。它还有利于生物系统的惰性，因此，可以用于生物医学应用。

在他们的实验中，研究人员使用了120纳米厚的金薄膜，或者大约一种狂犬病病毒的宽度。将金沉积在一个具有微流体井的塑料芯片上，将包含有DNA样本的PCR混合液保持在微流体井中。

光源是一组现成的LED，定位于PCR井的下方。蓝色LED的峰值波长为450纳米，被调整到获得最有效的光热转换。

研究人员能够在不到五分钟的时间里，从131度到203度（华氏）进行30个循环。

他们测试了光子PCR体系对样品进行扩增的能力，发现其结果与传统的PCR试验结果吻合的较好。

Lee说：“这个光子PCR系统快速、敏感，且低成本。它可以被整合到一种超快的基因组诊断芯片中，我们正在进行研发。因为这项技术可产生点的测试结果，所以我们可以将其用于许多各种各样的设置，从非洲农村到医院急诊室。”

（转化医学网360zhyx.com）