加州大學(xué)柏克萊分校的生物工程學(xué)家研發(fā)出一項(xiàng)新科技，利用LED光源的開/關(guān)提高加熱或冷卻基因樣本的速度，以降低實(shí)驗(yàn)成本并將實(shí)驗(yàn)速度提升數(shù)倍。

生物工程學(xué)教授，本研究的資深研究員Luke Lee教授表示：“光電PCR系統(tǒng)是一個快速、敏銳且低價(jià)的檢測方法。它能與超快基因組檢測芯片結(jié)合運(yùn)作，這能使PCR系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展出實(shí)際用途。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)血糖檢結(jié)果，我們可以使用于各種不同的環(huán)境中，不論是非洲鄉(xiāng)下或醫(yī)院急診室皆適用。”

光電PCR在黃金薄層上迅速加熱并冷卻電子，在數(shù)分鐘內(nèi)進(jìn)行基因復(fù)制(影像來源：Luke Lee’s BioPOETS lab)

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

聚合酶鏈鎖反應(yīng)(以下簡稱PCR)測試藉由復(fù)制單一DNA序列，制造出數(shù)千至數(shù)百萬的副本，從復(fù)制學(xué)研究到鑒證分析及親子鑒定，這樣的技術(shù)已經(jīng)成為基因?qū)W應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。PCR測試多應(yīng)用于初步診斷遺傳及傳染性疾病，同時(shí)用來分析古代木乃伊和長毛象的DNA樣本。

1993年，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)代科學(xué)的貢獻(xiàn)，因而得到諾貝爾獎肯定。

使用LED，加州柏克萊大學(xué)研究人員能在薄層黃金接口上加熱電子及DNA溶液。他們計(jì)算加熱溶液的速度，大約為每秒攝氏12.7度。降溫時(shí)可達(dá)到每秒攝氏6.6度的驚人速度。

生物工程學(xué)教授，本研究的資深研究員Luke Lee表示：“PCR是很有利且在醫(yī)療界廣泛使用的測試，但是現(xiàn)有的PCR測試系統(tǒng)相對較耗時(shí)?？紤]到傳統(tǒng)的加溫器儀器耗電量大且造價(jià)昂貴，一般通常在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行此測試。由于整個過程大約需一小時(shí)，因此不適合用于實(shí)時(shí)血糖檢測。我們的系統(tǒng)卻能在幾分鐘內(nèi)得出檢測結(jié)果。”

超快光電PCR測試?yán)?/span>LED燈在薄層黃金表面上復(fù)制基因樣本(攝影： Jun Ho Son)

傳統(tǒng)PCR測試的耗時(shí)之處在于加熱以及降溫DNA溶液的過程太長。PCR檢測需要重復(fù)溫度改變才能進(jìn)行─在三個溫度點(diǎn)之間平均要重復(fù)30個循環(huán)─以復(fù)制基因的序列。這個過程牽涉到拆解雙煉的DNA序列，并將單煉與其對應(yīng)鏈結(jié)合。隨著每次加熱降溫的循環(huán)，DNA樣本數(shù)將會雙倍成長。

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

黃金因?yàn)槠湟孜獾男识蔀檫@種電漿子光學(xué)電子熱能加熱的熱門金屬接口。除此之外，其附加價(jià)值是能夠植入生物系統(tǒng)中，因此可以用于生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)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。黃金被置于一片微流道芯片上，用來裝載PCR混合物與DNA樣本。

光源為一道置于PCR芯片下方的現(xiàn)成LED燈。LED燈調(diào)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(nèi)將整個循環(huán)重復(fù)30次由攝氏55度加熱至攝氏95度循環(huán)。他們測試了光電PCR系統(tǒng)復(fù)制樣本DNA的效率，發(fā)現(xiàn)結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)PCR測試。

此研究的主導(dǎo)研究員Jun Ho Son是Lee教授研究室中的柏克萊博士后研究員。比爾與美琳達(dá)•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(yù)見， LED與生物科技結(jié)合的例子，預(yù)期未來會越來越多，不只是植物照明、醫(yī)美光源而已。