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王德强:要让基因测序飞入寻常百姓家

作者:雍黎 来源:科技日报 发布于2017/09/25

  人物简介
  王德强,中国科学院重庆绿色智能技术研究院精准医疗单分子诊断技术研究中心研究员,研究方向为单分子检测、纳米孔DNA测序等。

  “我们想通过自己的努力,做好核心国产技术装备,让中国在微纳米结构制备方面做到领先。”
  在单层石墨烯上打出了直径5纳米的孔,意味着什么?
  这个问题也许让普通人一头雾水,但对中国科学院重庆绿色智能技术研究院(以下简称中科院重庆研究院)精准医疗单分子诊断技术研究中心的十多名研究人员来说,意义却不一般——它为实现更高效、低廉基因测序技术奠定了基础。
  日前,中国科学院重庆绿色智能技术研究院精准医疗单分子诊断技术研究中心在5纳米石墨烯纳米孔精确制备技术研究方面取得进展,研究成果发表在《纳米技术(Nanotechnology)》期刊上,是全球首个用氦离子在单层石墨烯上制备纳米孔的技术。
  完成这一成果的,是一支平均年龄不到30岁的团队,该中心主任王德强是团队带头人。“我们的目标是在2到3年内做出石墨烯纳米孔DNA测序仪,让人们享受到更便宜的基因测序服务。”王德强说。
  降低基因测序成本
  说起采访个人,王德强婉言谢绝。他说自己的理念是——“少说多做”,重要的是能做出过硬的成果。
  不过说起这项技术和团队成员,他一下打开了话匣子。
  不少高龄孕妇会被医生推荐做无创DNA产前检测。这种利用第二代基因组测序技术来检测唐氏综合征的方法,准确率高,且可避免因侵入性诊断带来流产、感染风险。不过,高达2000元的检测费用让许多家庭望而却步。
  “高昂的测序费用是目前限制个性化基因组测的主要因素。”王德强介绍,DNA测序技术可划分为三代,目前使用的第二代是化学方法,速度快、通量高;相比第一代,费用虽已大幅降低,但动辄几千一次的价格还是限制了它的应用范围。而他们研究的方法算是第四代,属于物理方法,让DNA通过纳米孔产生电流信号,通过分析电流信号特征,得到DNA的碱基序列信息,完成DNA测序。
  DNA的双螺旋直径为2.6到2.8纳米。如孔直径太大,可能会测不到;孔直径越小得到的信号会越真实、准确。因此制备出直径小于5纳米的纳米孔是要做新一代DNA测序技术的基础。如果成功做出新一代DNA测序仪,那测序一次DNA的费用可降到几百元。
  “除可以做到大幅提升准确率外,还可以降低测序的成本。我们想的是,能让更多人享受到更便宜的测序技术。”王德强说,倘若基因测序和抽血检验价格差不多,就能有更多人享受到更优质的医疗服务。
  在石墨烯上打出纳米孔
  为什么是在石墨烯上打孔?
  王德强说,在纳米孔测序的研究领域中,蛋白孔容易老化、不耐高压,氮化硅、二氧化硅等材料制备的固态纳米孔厚度普遍太大,远远超过单链DNA中相邻碱基之间仅0.34纳米的间距,不能准确识别。
  而石墨烯是一种只有一个原子厚度的准二维材料,厚度只有0.35纳米,能准确识别DNA穿孔时相邻碱基。而单层石墨烯的制备正是中科院重庆研究院的强项,于是他立刻确定方向——制备单层石墨烯纳米孔。
  如何在单层石墨烯上打出纳米孔,是件难度很高的事。“目前为止,我们还没有看到其他利用氦离子束在单层石墨烯上打孔成功的报道。”团队助理研究员何石轩说。
  这个任务交到了从日本名古屋大学回国的博士邓云生的手中。“我们用氦离子轰击的方法打孔,要打出纳米级的孔对精度要求非常高。”王德强说,单层石墨烯非常薄,稍不合适就会破,需要很精准的计算,让他欣喜的是邓云生完成得非常好。
  “当时使用的设备是新装的,全国只有3台,全世界只有10多台,相关的研究文献根本查不到,只有靠自己摸索。”邓云生说,当时他就跟着厂家前来安装设备的技术人员学习,自己推算公式、计算轰击的力量、离子束的校准度。因为单层石墨烯纳米孔的制备精度已到亚十纳米级,想要制备出理想中的纳米孔需要不断的重复试验。
  打孔这事,邓云生研究了一年多。当时研究院周围有很多工地,施工会影响设备的稳定度。于是,在做轰击实验时,为保证仪器平稳,邓云生把实验时间改到晚上,实行起了美国上班时间。
  可研究的进展却像“蜗牛爬”。有一次放小长假,邓云生每天都在实验室里重复试验,可竟没一次成功,这让他很沮丧。
  就在乌云蔽日之时,王德强走到了邓云生身边。“王主任就那么笑眯眯地看着我,给我讲解制备方法,分析原因。有一点点进步就鼓励我,让我又有了信心。”邓云生说,去年11月当得知自己成功制备5纳米孔,他无比激动。
  现在,邓云生已能在单层石墨烯上制备出2纳米孔了。
  一颗朴实爱国心
  中科院微电子研究所博士、德州大学阿灵顿分校(UTA)和伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校(UIUC)博士后、曾任美国IBM Watson研究中心研究科学家……今年39岁的王德强拥有让人艳羡的履历。
  放弃这么好的机会回国,不可惜吗?对此,王德强说得特别朴实:“在国外做科研成果都是国外的,(我)就是想回国为国家、单位作一点贡献。”
  他说自己一直关注着国内的情况,当得知中科院重庆研究院拥有用于纳米孔制备的氦离子设备时,他意识到回国发挥自己特长的机会来了。2014年王德强来到重庆,开始组建团队进行研究。
  “我们团队成员现在有十多人,来自电子工程、物理、化学、生物等不同的学科。”王德强说,他们做的是一项跨学科的基础技术研究,这项技术成熟后,不仅可用在DNA测序上,环境监测、医疗卫生等众多领域都可以使用。如今他们已开展艾滋病早期监测、肺癌早期监测、外泌体分离等项目的研究,并已取得进展。
  “我们没有严格的管理制度,也没有高额的奖金激励,靠的都是大家的自觉性。”王德强说,团队的研究人员都是普通的科技工作者,但抱着一个朴素的想法——把自己所学得以致用,为国家科技发展作出自己的贡献。
  他的团队还有个“小目标”:做核心国产技术装备。“我们想通过自己的努力,做好核心国产技术装备,让祖国在微纳米结构制备方面做到领先。”王德强说。

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