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《科学》重要突破:用纳米孔技术直接读取蛋白序
2021/11/5 14:44:22 | 浏览:888 | 评论:0

今日,顶尖学术期刊在线发表一篇重要论文——科学家首次使用纳米孔技术,以单氨基酸的分辨率,对蛋白质序列进行了直接读取,可谓是纳米孔技术一大重量级的概念验证。

《科学》重要突破:用纳米孔技术直接读取蛋白序

说到纳米孔技术,很多人会想到DNA测序。的确,在这一领域,纳米孔技术已经得到了非常广泛的应用。它的原理也很容易理解——当长链DNA分子通过纳米尺寸的空隙时,会随着碱基的不同,产生相应的电流变化。而通过仪器识别这种电流变化,就可以反推出相应的碱基,从而还原DNA的序列。

“在过去的30年里,纳米孔DNA测序技术已经从一个想法,发展成了实际的工作设备,”本研究的通讯作者Cees Dekker教授说道, “这也带来了手持的纳米孔测序仪,能服务于数十亿美元的基因组学市场。在我们的论文里,我们拓展纳米孔技术,使其能读取单个蛋白质。对于蛋白质的基础研究和医学诊断来说,这技术可能有重要的意义。

可能有人会问,蛋白序列不是由DNA序列决定的吗?既然已经能对DNA进行测序了,我们为啥又要去测蛋白序列呢?这是因为最终蛋白产物并不总与DNA所编码的相一致,有一些蛋白还会发生翻译后的修饰。

《科学》重要突破:用纳米孔技术直接读取蛋白序

▲纳米孔技术对DNA测序的示意图(图片来源:DataBase Center for Life Science(DBCLS), CC BY 4.0 , via Wikimedia Commons)

那纳米孔是怎么用在蛋白质序列的读取上的呢?第一作者Henry Brinkerhoff博士解释说,大的原则还是没有变化。我们可以将组成蛋白质的多肽链看成是一串项链,项链上的珠子就是尺寸大小各异的氨基酸。

而测序的过程,就是将多肽链穿过纳米孔,也就好比是项链穿过下水管道。如果珠子比较大,堵住了管道,那么流通的水就会变少。相反,如果珠子比较小,那么流过的水就会变多。通过比较水流的变化,就可以精准地分析出通过下水管道的珠子顺序。

在实际操作中,仪器检测的是离子的流动产生的电信号,以此推出通过纳米孔的氨基酸的先后顺序。

在论文里,科学家们证明了这一技术的精准性。一条DNA-多肽偶联物被拖过由MspA蛋白组成的纳米孔后,能准确读出多肽上的氨基酸序列。而倘若更改了其中的一个氨基酸,机器也能准确地识别出这一变化。

《科学》重要突破:用纳米孔技术直接读取蛋白序

▲黄色的DNA与紫色的多肽相偶联,在红色的酶的拖动下,偶联物穿过湖绿色的纳米孔,并读出不同氨基酸产生的信号(橙色发光部位)(图片来源:Cees Dekker Lab TU Delft / SciXel.)

研究人员们还指出,这一技术的另一大亮点在于能反复读取一条多肽链序列,进行平均处理,获得几乎100%准确的氨基酸顺序。论文摘要提到,在单氨基酸的检测上,错误率可以低于10的负6次方。

利用这一技术,未来我们有望分析在细胞中存在的大量蛋白。研究人员们指出,自从被细胞合成之后,蛋白就会经历一系列变化,影响它们的功能。了解这数千万个不同蛋白的序列,有望对其功能进行更好地探索。当然,要准确地还原蛋白的面貌,科学家们还有不少路要走。但至少,他们已经找到了前进的方向。

参考资料:

[1] Henry Brinkerhoff et al.,(2021), Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores, Science, DOI:10.1126/science.abl4381

[2] Scanning a single protein, one amino acid at a time, Retrieved November 4, 2021, from https://www.eurekalert.org/news-releases/933889

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