美國柏克萊生物工程 利用LED燈加速DNA複製

加州大學柏克萊分校的生物工程學家研發出一項新科技,降低實驗室測試儀器成本、可攜式且經由開關光源,可使加熱及冷卻基因樣本的循環速度提升數倍。

生物工程學教授,本研究的資深研究員Luke Lee教授表示:「光電PCR系統是一個快速、敏銳且低價的檢測方法。它能與超快基因組檢測晶片結合運作,這能使PCR系統在醫療領域發展出實際用途。因為這項技術能夠提供即時血糖檢結果,我們可以使用於各種不同的環境中,不論是非洲鄉下或醫院急診室皆適用。」

藝術家呈現光電PCR在黃金薄層上迅速加熱並冷卻電子。這個方法可在短短數分鐘內進行基因複製,並可將即時血糖檢測診斷法應用於廣泛領域,如醫藥、食品安全和演化生物學。(影像來源:Luke Lee’s BioPOETS lab)

據7月31刊於《Light: Science & Application》期刊的研究顯示,這個超快溫感調控技術,大幅擴展聚合酶鏈鎖反應(polymerase chain reaction ,PCR)測試的臨床及研究應用,將原本超過一小時的檢測時間,大幅減至短短幾分鐘。

聚合酶鏈鎖反應(以下簡稱PCR)測試藉由複製單一DNA序列,製造出數千至數百萬的副本,從複製學研究到鑒證分析及親子鑑定,這樣的技術已經成為基因學應用的重要環節。PCR測試多應用於初步診斷遺傳及傳染性疾病,同時用來分析古代木乃伊和長毛象的DNA樣本。

1993年,發現者凱利‧穆利斯(Kary Mullis)及麥可‧史密斯(Michael Smith)使得PCR測試有重大突破,對現代科學的貢獻,因而得到諾貝爾獎肯定。

使用LED,加州柏克萊大學研究人員能在薄層黃金介面上加熱電子及DNA溶液。他們計算加熱溶液的速度,大約為每秒攝氏12.7度。降溫時可達到每秒攝氏6.6度的驚人速度。

生物工程學教授,本研究的資深研究員Luke Lee表示:「PCR是很有利且在醫療界廣泛使用的測試,但是現有的PCR測試系統相對較耗時。考量到傳統的加溫器儀器耗電量大且造價昂貴,一般通常在實驗室裡進行此測試。由於整個過程大約需一小時,因此不適合用於即時血糖檢測。我們的系統卻能在幾分鐘內得出檢測結果。」

原理圖顯示超快光電PCR測試利用LED燈在薄層黃金表面上複製基因樣本。點選影像看更多細節說明。(攝影: Jun Ho Son)

傳統PCR測試的耗時之處在於加熱以及降溫DNA溶液的過程太長。PCR檢測需要重複溫度改變才能進行─在三個溫度點之間平均要重複30個循環─以複製基因的序列。這個過程牽涉到拆解雙鍊的DNA序列,並將單鍊與其對應鏈結合。隨著每次加熱降溫的循環,DNA樣本數將會雙倍成長。

為了提高溫度循環的速度,Lee教授和他的研究團隊利用電漿子光學(plasmonics)的原理,或所謂的光與電子在金屬表面的互動現象。在接收到光照時,自由電子會漸趨活躍而開始震動,產生熱能。一旦切斷光照,振動及熱能就消失。

黃金因為其易吸光的效率而成為這種電漿子光學電子熱能加熱的熱門金屬介面。除此之外,其附加價值是能夠植入生物系統中,因此可以用於生物醫學工程應用。在研究中,研究人員使用120奈米厚的黃金薄層,大概是一個狂犬病病毒的寬度。黃金被置於一片微流道晶片上,用來裝載PCR混合物與DNA樣本。

光源為一道置於PCR晶片下方的現成LED燈。LED燈調整為光加熱效率最高的最大輻射450奈米波長。研究人員能在5分鐘之內將整個循環重複30次由攝氏55度加熱至攝氏95度循環。他們測試了光電PCR系統複製樣本DNA的效率,發現結果優於傳統PCR測試。

此研究的主導研究員Jun Ho Son是Lee教授研究室中的柏克萊博士後研究員。比爾與美琳達·蓋茲基金會以及韓國國家研究基金會贊助支持此研究。

由此研究能夠預見, LED與生物科技結合的例子,預期未來會越來越多,不只是植物照明、醫美光源而已。

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