目前，基因组物理图谱测绘的常用技术有DNA测序和荧光原位杂交（FISH）等。DNA测序虽然可以精确分析单个碱基，但是仍存在读长短，无法精确分析***段基因组等不足，难以有效、准确地绘制大面积基因组图谱。与之相反，诸如荧光原位杂交（FISH）的生物医学成像技术虽然能够分析***段基因组，但是分辨率较低，无法进行精确分析。许多科学家也在为弥补现有技术的不足而努力。

       近日，由VCU梅西癌症中心癌症分子遗传学研究计划成员、弗吉尼亚联邦大学物理学家Jason Reed博士领导的研究小组开发了一项新的成像技术——高速原子力显微镜（HS-AFM）纳米成像技术。研究人员通过将HS-AFM和基于CRISPR的化学条形码技术结合，HS-AFM纳米成像技术几乎能够与DNA测序一样准确地绘制DNA单分子物理图谱，同时能以更快的速度处理***段基因组。此外，这种成像技术可由普通的DVD光学器件驱动。相关研究成果发表于***学术期刊Nature Communications，题为“DNA nanomapping using CRISPR/Cas9 as a programmable nanoparticle”。

       图：HS-AFM检测Cas9标记DNA的工作流程

       据了解，这种新型成像技术在达到几十个碱基分辨率的同时，可以分析***段基因组生成图像。研究团队已经使用该技术成功绘制了DNA单分子物理图谱。Reed博士表示，新的纳米成像技术弥补了现有DNA测序和其他物理制图技术的不足，并将改变致病基因突变的诊断和发现方式。

       说到这儿，可能有些同学还不甚了解什么是原子力显微镜？

       其实，这项技术还是诞生于上个世纪。1989年，IBM科学家成功研发了原子力显微镜（AFM）技术。AFM是利用微针与分子之间的相互作用对样品进行扫描，这种微型触针（类似于唱片播放器上的针）几乎不接触被研究材料的表面。但由于传统AFM对于医学应用来说太慢，所以主要由材料学工程师使用。

       图：用作传感器的DVD播放器部件检测Cas9标签

       而HS-AFM纳米成像技术同样使样品快速通过触针，不仅可以达到与传统AFM相同的细节级水平，并将处理材料的速度提高1000多倍。研究团队还证明这项技术可以使用DVD光学设备生成DNA物理图谱。

       图：HS-AFM可准确定位DNA上的sgRNA-Cas9复合物

       此外，Reed博士和同事还开发一种巧妙的CRISPR 化学条形码技术，通过改变CRISPR酶的化学反应条件，使其仅作为标记粘附在DNA分子表面，而不进行实际切割。研究人员绘制了淋巴瘤活检中的基因易位图谱，并使用几种针对BRCA1、HER2和TERT基因序列的特异性sgRNA来证明CRISPR酶标记的有效性和精确性。研究人员惊奇地发现，通过这种方法，CRISPR酶对DNA分子的键合率接近90%，并能够精准识别DNA中的突变基因。

       Reed博士表示，HS-AFM纳米成像技术有很多潜在的用途，尤其是医疗方面的应用。的研究团队目前正在开发基于现有算法的一款软件，希望能够在成像技术的基础上，进一步分析DN***段中多达一百万个碱基。