基于纳米孔测序技术的PNA/λDNA测序精确度研究

罗帆，熊珊珊

(东南大学机械工程学院，江苏 南京211189)

作者简介：罗帆（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为基于固态纳米孔的生物分子检测，220160354@seu.edu.cn.

摘要：通过字符串匹配算法模拟PNA探针与λDNA匹配过程。在考虑PNA探针的碱基数目以及芯片厚度的情况下，模拟了3merPNA探针和5merPNA探针与λDNA的匹配过程，以读取λDNA碱基序列信息。实验结果表明，基于单分子纳米孔的第三代测序技术读取λDNA碱基可以达到较高的精度，为下一步基因测序实验奠定了理论基础。

关键词：字符串匹配算法；PNA；DNA测序

中图分类号：TP301.6   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0035-04

随着科学技术的发展，人们对DNA结构及其携带的遗传信息的深入研究，促使DNA测序技术不断地变化，成为生命科学的重要研究领域，极大地推动了生物工程、医疗技术以及其他学科的发展。第一代基因测序方法是以Sanger的双脱氧链终止法［1］为核心的化学降解法，是人类基因组技术的核心测序方法，其测序精度高达99.999%，但是高成本和低通量的缺点使其无法实现大规模的商业应用。为了降低测序成本以及提高测序基因的通量，人类进入了第二代基因测序时代。第二代基因测序方法以Roche公司454技术、illumina公司的Solexa和Hiseq技术以及ABI公司的Solid技术为代表，其主要特点是高通量和读取速度快，一次可以对几十万条乃至几百万条DNA分子的碱基进行测序，它促进了人类对物种转录组测序以及基因组深度测序方法的发展，但是其试剂价格昂贵，使得第二代基因测序的成本高达几十万美元。近年来，基于单分子纳米孔技术的第三代测序方法应运而生，其主要是通过分辨4种碱基结构的细微差异而导致不同碱基在通过纳米孔时产生不同的离子阻塞电流来进行测序，测序过程不需要试剂，且测序速度比一、二代测序方法快，有望进一步降低测序成本，从而改进人类由基因缺陷引起疾病的治疗方法［2-5］。为了证明基于单分子纳米孔的第三代测序技术的精准性［6-7］，本文利用字符串匹配算法模拟单分子探针PNA（肽核酸）与λDNA通过双层纳米孔芯片匹配实验来计算单分子探针读取λDNA的精确度。

1匹配算法

匹配算法的基本原理：把λDNA的碱基信息看成一个长字符串，PNA探针看成一个短字符串，把PNA探针与λDNA的匹配变成短字符串与长字符串的匹配。

图1所示为PNA/λDNA模拟实验的流程图，图中V为PNA探针字符串，B为λDNA的字符串，C为探针读取λDNA碱基位置数组，K为探针首个碱基读取的λDNA碱基有效位置数组，Q为所有PNA探针读取有效位置数组，P为各类探针匹配个数数组，lb为λDNA的长度（单位：b），lc为探针读取的位置长度（单位：b），lq为探针读取的有效位置长度（单位：b），per为探针库所有探针读取λDNA的精确度。

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