纳米孔用于蛋白质测序又获重大突破！

在新一代DNA序列分析技术中，纳米孔测序让人印象很深，可以说是大开眼界！其原理在我的《生物化学原理》第三版、《分子生物学》第二版和《基础生物化学原理》中都有详细描述。之前“我爱生化”也发表一个推送，说的是有科学家在将此技术用于蛋白质一级结构测定上的进展（🔗）现在，来自美国代尔夫特理工大学和伊利诺伊大学的研究人员巧妙地使用纳米孔 DNA 测序技术成功扫描了一种肽段，通过将待测序列的线性肽段“嫁接”到一个DNA分子一条链的末端，使其被DNA解链酶Hel308拉过MspA蛋白质构成的生物纳米孔。然后通过纳米孔读取离子电流信号能够区分单次读取中的单个氨基酸取代。分子动力学模拟显示这些信号是由尺寸排阻和孔结合引起的。该技术还展示了“倒带”肽段读数的能力，获得同一分子的大量独立读数，在单氨基酸变体鉴定中产生 1/1000000的错误率。该研究结果发表在11月4日的Science上。新的单分子肽阅读器标志着蛋白质鉴定的突破，为单分子蛋白质测序和单细胞内蛋白质编目开辟了道路。

蛋白质是我们细胞行使功能的“主力军”，它们是由20种左右不同类型的氨基酸组成的长肽链，每一条肽链堪比是一条带有不同种类的珠子的项链。从 DNA 蓝图中，我们能够预测蛋白质由哪些氨基酸组成。然而，最终的蛋白质可能与蓝图有很大不同，例如由于翻译后修饰。当前测量蛋白质的方法昂贵，仅限于含量高的蛋白质，并且它们无法检测到许多稀有蛋白质。借助基于纳米孔的技术，人们已经能够扫描和测序单个 DNA 分子。由 代尔夫特理工大学 Cees Dekker领导的团队现在已经采用这种技术来代替扫描单个蛋白质，一次一个氨基酸。

对此，Cees 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成为一个实际的工作设备。这甚至催生了服务于数十亿美元基因组学市场的商用手持式纳米孔测序仪。在我们的论文中，我们将这种纳米孔概念扩展到读取单个蛋白质。这可能对基础蛋白质研究和医学诊断产生重大影响。”

Henry Brinkerhoff 作为 Dekker 实验室的博士后开创了这项新技术，为了解释其工作原理，他打了一个非常形象的比喻：“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，想象一下你打开水龙头你慢慢地把项链移到下水道，在这种情况下是纳米孔。如果一个大珠子堵住了下水道，流过的水只会是涓涓细流；如果你在下水道的项链上有更小的珠子，更多水可以流过。利用我们的技术，我们可以非常精确地测量'水流量’——实际上是离子流。”

肽读取器的艺术示意图：其中解旋酶（红色）拉起连接肽（紫色）的DNA 分子（黄色）——使分子缓慢易位通过纳米孔（绿色），从而允许读取离子电流信号（橙色突出显示）表征肽的氨基酸，因为它们暂时阻塞了孔。

肽读取器的概念图：其中解旋酶（粉红色）拉起连接肽（红色）的 DNA 分子（黑色）——使分子缓慢易位通过纳米孔（绿色），从而允许读取离子电流信号表征肽的氨基酸，因为它们暂时阻塞了孔。

该技术的一个很酷的特点是能够一次又一次地读取单个肽串。然后再对单个分子的所有读数进行平均，从而以基本上 100% 的准确度识别该分子。 当改变肽中的单个氨基酸（“项链中的单个珠子”）时，可以获得了非常不同的信号，表明该技术具有极高的灵敏度。

新技术在识别单个蛋白质和映射它们之间的微小变化方面非常强大——就像超市里的收银员如何通过扫描条形码来识别每个产品一样。它还可能为未来的可能为未来的单蛋白测序仪奠定基础。

使用当前的纳米孔肽阅读器，研究人员可以开始分析蛋白质的翻译后修饰。在细胞中合成后，蛋白质仍会发生影响其功能的结构变化，称为翻译后修饰。由此产生的数以百万计的蛋白质变体难以测量，可以被认为是“生物学的暗物质”。 对此，Cees Dekker 指出：“继续打比喻，在制作带有珠子的项链后，它仍然会发生变化——一些红色珠子附有磷酸基团，一些蓝色珠子附有糖基等。这些变化对蛋白质至关重要功能，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些变化，从而对我们随身携带的蛋白质有所了解。”