Science：重大进展！利用纳米孔DNA测序技术成功扫描单个蛋白

2021年11月6日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，利用纳米孔DNA测序技术，来自荷兰代尔夫特理工大学和美国伊利诺伊大学的研究人员成功扫描了单个蛋白。通过在微小的纳米孔中一次一个氨基酸地慢慢移动线性化的蛋白，他们能够读出与该蛋白的信息内容有关的电流。他们将他们的概念验证于2021年11月4日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores”。这种新的单分子肽读取器标志着蛋白鉴定的突破，并为单分子蛋白测序和对单细胞内的蛋白进行编目开辟了道路。

蛋白是我们细胞的主力军，然而我们根本不知道我们都携带着哪些蛋白。蛋白是由20种不同类型的氨基酸组成的长肽串，相当于一条有不同种类珠子的项链。从DNA蓝图中，我们能够预测蛋白由哪些氨基酸组成。然而，最终的蛋白可能与DNA蓝图大相径庭，例如，由于翻译后的修饰。目前测量蛋白的方法很昂贵，仅限于数量大的蛋白，不能检测许多罕见的蛋白。利用基于纳米孔的技术，人们已经能够扫描和测序单个DNA分子。在这项新的研究中，论文通讯作者、代尔夫特理工大学的Cees Dekker及其团队如今已将这种技术改编为一次一个氨基酸地扫描单个蛋白。

Dekker解释道，“在过去的30年里，基于纳米孔的DNA测序已经从一个想法发展到实际的工作装置。这甚至导致了商业化的手持式纳米孔测序仪，为价值数十亿美元的基因组学市场服务。在我们的论文中，我们正在将这种纳米孔的概念扩展到读取单个蛋白。这可能会对基础蛋白研究和医疗诊断产生巨大影响。”

像珠子掉进水里

这项新技术揭示了多肽内单个氨基酸的特征，但如何做到的呢？论文第一作者、Dekker实验室博士后研究员Henry Brinkerhoff解释道，“想象一下，一个肽分子中的氨基酸串是一条带有不同大小珠子的项链。然后，想象你打开水龙头，慢慢地把项链移到下水道，在这种情况下，下水道就是纳米孔。如果一个大珠子堵住了下水道，流过它的水将只是涓涓细流；如果你在项链中的小珠子正好在下水道处，更多的水可以流过。通过我们的技术，我们可以非常精确地测量水流的数量（实际上是离子电流）。”

多肽读取器的工作示意图：在解旋酶（红色）拉着附着一个肽分子（紫色）的DNA分子（黄色），让DNA分子缓慢通过纳米孔（绿色），从而允许读出的离子电流信号（橙色突出表示）表征暂时阻塞纳米孔的氨基酸。图片来自Cees Dekker Lab TU Delft / SciXel。

Dekker热情地补充说，“我们技术的一个很酷的特点是，我们能够反复读取单个肽串。我们然后对来自单个分子的所有读数进行平均，从而基本上以100%的准确率识别该肽分子。”

这导致了一个独特的读数，这是一个特定蛋白的特征。当这些作者改变这个肽中哪怕单个氨基酸（好比“项链中的一个珠子”）时，他们获得了非常不同的信号，表明该技术的极端敏感性。伊利诺伊大学的Alek Aksimentiev及其团队进行了分子动力学模拟，显示了离子电流信号与纳米孔中的氨基酸之间的关系。

扫描条形码进行识别

这项新技术对于识别单个蛋白和绘制不同蛋白之间的微小变化是非常强大的---就像超市里的收银员通过扫描条形码来识别每个产品一样。它还可能为未来实现完整的蛋白从头测序提供一条新途径。论文第一作者、代尔夫特理工大学的Henry Brinkerhoff澄清说，“我们的方法可能为未来的单个蛋白测序仪奠定基础，但从头测序仍然是一个巨大的挑战。为此，我们仍然需要对来自大量肽的信号进行表征，以便构建将将离子电流信号和蛋白序列关联在一起的‘图谱’。即便如此，辨别单个肽分子中的单个氨基酸替换的能力是一个重大的进步，而且该技术目前有许多直接的应用。”

窥视生物学的“暗物质”

利用这种纳米孔肽读取器，这些作者可以开始分析哪些蛋白在我们的细胞中漂浮。在细胞中合成后，蛋白仍然会发生影响其功能的变化，即翻译后修饰。由此产生的数以百万计的蛋白变体是难以测量的，可以被认为是“生物学的暗物质”。Dekker指出，“继续做个比喻，在一条带有珠子的项链制作完成后，它仍然会被改变：一些红色的珠子上附着一个磷酰基，一些蓝色的珠子上附着一个糖基，等等。这些变化对蛋白功能至关重要，也是癌症等疾病的标志物。我们认为，我们的新方法将使我们能够检测到这样的变化，从而了解我们随身携带的蛋白。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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