第三代测序领军人物开发新的单分子工具

　　

生物通报道：最近，来自美国华盛顿大学（UW）和Illumina公司的一组科学家，开发出了一种创新性的工具，可直接检测DNA和酶蛋白之间微妙的单分子相互作用。他们的方法提供了一个新的平台，可与实时地观察和记录这些纳米级的相互作用。相关研究结果发表在九月二十八日的《Nature Biotechnology》，研究人员表示，这一工具能够为细胞蛋白用来结合DNA链的不同机制，提供快速可靠的表征，这些信息可以在原子尺度上进一步阐述我们细胞内的相互作用，并有助于设计新的药物疗法，通过靶定与DNA相互作用的酶，来对抗病原体。延伸阅读：简化单分子测量的新型芯片平台。

本文资深作者是华盛顿大学物理学教授Jens Gundlach，他在纳米孔测序技术方面成就赫然，他解释说：“还有其他的单分子工具，但我们的新工具更为敏感。我们能够真正在原子尺度上捕捉到蛋白质传递到DNA的运动。”

如同在科学过程中发生的那样，他们开发了这一工具——单分子皮米分辨率的纳米镊子（SPRNT）。

UW团队一直都在探索纳米孔技术，来快速地读取DNA序列。我们的基因是长的DNA分子，是由四个化学DNA “字母”组合构成的。在他们的方法中，Gundlach和他的团队测量了通过生物孔隙（称为MSPA，嵌入一层修饰的细胞膜）的电流。当DNA通过小孔中的一个开口——只有0.00000012厘米宽的一个开口，是人头发宽度的万分之一，电流会根据DNA字母序列而发生改变。他们利用这些变化来推断DNA序列。

Gundlach和他的团队，在研究纳米孔测序的过程中，尝试了各种各样的分子马达，搬运DNA通过动这个孔。他们发现，他们的实验装置足够敏感，因此能够观察远小于DNA上相邻字母之间的距离。他们在论文中报道称，与现有的技术相比，SPRNT检测DNA和蛋白质之间相互作用的敏感性要高出七倍。

Gundlach指出：“一般来说，目前研究单分子运动的大多数技术，如光学镊子，最多有300皮米的分辨率。用SPRNT，我们可以达到40皮米的分辨率。”作为参考，40皮米是0.000000004厘米，或0.0000000016英寸。

该论文的共同作者、华盛顿大学物理学博士后研究员Andrew Laszlo说：“我们意识到，我们可以检测孔内DNA位置的细微差别。我们可以看到蛋白质如何与核酸结合、并将其移动通过孔隙的差异。”

这些差异致使每个细胞蛋白在与DNA的相互作用中，发挥独特作用。细胞有蛋白质来复制DNA，“读取”DNA以表达基因和修复DAN（当它被损坏时）。有些细胞蛋白解开DNA，而另一些则是和DNA紧密结合在一起的。

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生物学家早就认识到，蛋白质有不同的结构来执行这些作用，但是蛋白质对DNA起作用时的物理运动，一直很难直接检测。Laszlo说：“当你有了SPRNT提供的分辨率，你就可以拆开这些蛋白采取的步骤”。

Gundlach和他的团队发现，SPRNT非常敏感，因此能区分两个细胞蛋白用来将DNA通过纳米孔开口的机制之间的差异。根据本文共同作者、UW物理学博士生Jonathan Craig介绍，一种蛋白质——通常复制DNA，当它引导DNA通过孔的时候，沿着DNA一个字母一个字母地移动。第二个蛋白——通常解开DNA，反而采取两个步骤，沿每个DNA字母，这可以通过跟踪电流的微小变化观察到。他们甚至发现，这两个步骤都涉及到蛋白质用来沿DNA移动的连续的化学过程。

Laszlo说：“你真的可以看到根本的机制，并有许多影响——从理解生命如何运作，到药物设计。”

Gundlach认为，这个工具可能为理解“细胞蛋白质如何处理DNA”打开新的窗口，这可以帮助设计蛋白质来执行新的功能。这些精细的细节也可以帮助科学家们了解“蛋白质中的突变如何会导致疾病”，或者发现将是药物治疗理想靶点的蛋白质特性。

Gundlach说：“例如，病毒基因编码它们自己的蛋白质，加工它们自己的DNA。如果我们用SPRNT来筛选特异性破坏这些蛋白质功能的药物，它就可以干扰病毒。”

（生物通：王英）

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Subangstrom single-molecule measurements of motor proteins using a nanopore
Abstract: Techniques for measuring the motion of single motor proteins, such as FRET and optical tweezers, are limited to a resolution of ~300 pm. We use ion current modulation through the protein nanopore MspA to observe translocation of helicase Hel308 on DNA with up to ~40 pm sensitivity. This approach should be applicable to any protein that translocates on DNA or RNA, including helicases, polymerases, recombinases and DNA repair enzymes.