DNA 檢驗

1. 何謂 DNA

脫氧核醣核酸（DNA，為英文 Deoxyribonucleic acid 的縮寫），又稱去氧核醣核 酸，是染色體的主要化學成分，同時也是組成基因的材料。有時被稱為「遺傳微粒」，

因為在繁殖過程中，父代把它們自己 DNA 的一部分複製傳遞到子代中，從而完成 性狀的傳播 (維基百科)。所謂基因就是一段特定序列的 DNA ，以去氧核醣與磷酸 酯為主要骨幹，並含有四種鹼基：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T)、胞嘧 啶 (C)其中 AT 會互相吸引，GC 會互相吸引。例如，一條 DNA 序列為 AATTCGC，

則其互補序列就是 TTAAGCG。當二者序列完全吻合時，其間氫鍵吸引的力量最強。

人類的基因約有 4 萬多個，DNA 的鹼基有 30 億個。

2. 檢測 DNA 的實驗方法

美國西北大學奈米科技研究所教授 Mirkin 在 1997 年 Science 期刊上，發表了利 用金奈米粒子 (gold nanoparticle)來檢測 DNA 的方法。其原理是將 DNA 片段接到金 奈米粒子表面，如果兩種 DNA 片段是互補片段，則兩種含有金奈米粒子的溶液混在 一起時，金奈米粒子會藉由 DNA 片段之間的作用力互相吸附在一起(如圖 5-4-1)，這 時可以從溶液的顏色改變來得知。因此可以從一組已知的 DNA 片段來偵測出另一組 片段。

圖 5-4-1 將 DNA 藉由奈米粒子組合

資料來源：http://chemgroups.northwestern.edu/mirkingroup/

3. 使用 d-disjunct 矩陣設計實驗

由於 DNA 的組成有太多可能，例如長度為 12 鹼基的 DNA 片段，可能的型式就 有4 種，因此要從一段已知的片段來找到另一組互補的 DNA 片段有如海底撈針一¹² 般，一個一個檢驗的話，需要實驗相當多的次數。此時便可以使用群試來減少實驗次 數，可以每次同時檢驗很多個。首先視實際情況，設計一個d-disjunct矩陣。

在d-disjunct矩陣中的行數，即總共待檢測的 DNA 片段個數，列數則是所需要

的實驗次數。我們以一個例子，來說明使用d-disjunct的演算法。假設有 20 個待測 DNA，其中最多只有兩個會與探測器反應(陽性反應)。在 DNA 的檢驗中，這個假 設是合理的，甚至完全不會呈陽性反應的機率也很大，要視 DNA 片段的長度而定。

在其他的試驗中，則要從過去經驗來評估在待檢測物中會有陽性反應物的個數。

令 d = 2，因為 







= 3

20 6 ，且 6 6!

2 2!4! 15

 = =

   ，所以使用 δ(6, 2, 3)這個矩陣(圖 5-4-2a)

來設計實驗。在第一列中，第 1，2，3，4 行為 1，代表將編號 1、編號 2、編號 3、

呢？由d-disjunct的性質：這個矩陣任兩行的 Boolean sum 都不同，我們可以將所

有兩行的 Boolean sum 都算出來，再將實驗所得到的這個行向量去比對，可以找到唯

們可以在 15 次的實驗後找出來是哪幾個。

實際上在應用時，可以造出行數比列數大許多的矩陣。例如 δ(20, 5, 10)矩陣就是







×









10 20 5

20 =15504 × 184756 的大小。這個矩陣最多可以檢測 184756 個待測的 DNA

片段，只需要 15504 次的實驗，但是 1884756 個 DNA 片段中，最多只能有 5 個是探 測器的互補 DNA 片段。

六