Science纳米孔蛋白质测序新突破——准确率100%

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纳米孔可以直接对蛋白质进行测序，准确率达到100%，还可以识别氨基酸修饰

 

蛋白质是生物体的主要成分，也是生命活动的主要承担者。具有生物学功能的蛋白质往往具有特定的空间结构，蛋白质结构是在多个层次上定义的。

 

其中一级结构是最重要的，即氨基酸的类型和排列，它可以决定蛋白质的高级结构。然而，直接读取蛋白质的初级结构一直是非常困难的。

 

在大多数情况下，科学家会根据基因序列和氨基酸密码子表“破译”蛋白质的氨基酸序列。然而，由于存在转录后修饰和翻译后修饰，解密结果并不完全正确，甚至与真实的氨基酸序列相差很大。

 

2021年11月4日，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员在《Science》杂志上发表了题为《利用纳米孔在单氨基酸分辨率下对单蛋白质的多次重读》的论文。

 

该研究使用纳米孔测序技术成功扫描并读取了单个蛋白质的氨基酸序列:线性化的DNA-肽复合物缓慢通过微小的纳米孔，研究人员可以根据当前信息含量的变化和强度读取相关蛋白质，直接对蛋白质的氨基酸序列进行排序。

 

 

蛋白质是生命活动的主要载体。事实上，所有的生物蛋白质都是由大约20种不同的氨基酸组成的长肽链，就像项链上有不同种类的珠子一样。不幸的是，目前的蛋白质测序方法价格昂贵，无法检测到许多稀有蛋白质。近年来发展起来的纳米孔测序技术已经能够直接对单个DNA分子进行扫描和测序。

 

上述研究表明，我们可以通过类似DNA纳米孔测序的方式直接读取蛋白质的氨基酸序列。

该研究的通讯作者Cees Dekker教授说: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用的工作设备，并已成功开发出一种商业化的便携式纳米孔测序仪，服务于数十亿美元的基因组测序市场。在我们的论文中，我们将纳米孔的概念扩展到单个蛋白质的阅读。

这可能对基础蛋白质研究和医学诊断产生重大影响。

 

 

牛津纳米孔（Oxford Nanopore）研发的纳米孔测序仪直接读取氨基酸序列特征的纳米孔如何使用单个氨基酸肽链读取，论文第一作者Henry Brinkerhoff博士做了生动的比喻:“现在想象一下，肽链中的氨基酸链就像一条项链，上面有不同大小的珠子。然后，你打开水龙头，慢慢地把项链送进下水道，也就是纳米孔。如果在某一时刻它是一个大珠子，它就会堵塞下水道，里面的水就会变成涓涓细流。相反，如果是小珠子，那么下水道中剩余的缝隙就会更大，水流也会更大。”

 

 

纳米孔肽读取装置直接读取氨基酸序列。因此，通过这项技术，研究人员可以非常准确地测量纳米孔的电流大小，并以此来预测相应的氨基酸种类。

更重要的是，这个过程不影响肽链的完整性，我们可以对单个肽链进行反复读取，然后拟合所有的数据，从而获得基本100%的准确率的肽链序列组成。

 

 

解旋酶(红色)拖动与多肽(紫色)连接的DNA分子(黄色)缓慢通过纳米孔(绿色)，从而通过读取电信号(橙色突出显示)来表征多肽的氨基酸序列。

 

为了进一步验证该技术的准确性，研究者改变了肽链上的某一氨基酸，就能够检测到明显不同的电信号，说明该技术是极其敏感的。

事实上，这种新技术在识别单个蛋白质和绘制它们之间的微妙变化方面非常强大，就像超市的收银员扫描条形码来识别每个产品一样。这也为未来的蛋白质测序提供了一种新的方法。

 

 

Henry Brinkerhoff博士表示，纳米孔肽阅读器可以区分被单个氨基酸取代的单肽，这种方法可能为未来的蛋白质测序奠定基础，但目前，从头测序仍然是一个巨大的挑战。

我们仍然需要对来自不同序列的电信号进行大量描述，以便创建一个对应于电信号和蛋白质序列的“编码表”。但即便如此，这项研究已经能够成功地区分蛋白质序列中单个氨基酸的变化。

这无疑是一个重大的进步，将有许多直接的应用。

暗物质是一种理论上可能存在于宇宙中的不可见物质。它可能是宇宙物质的主要组成部分，但它不属于任何已知形式的可见天体。在细胞中，有许多不可知的“暗物质”——数百万由翻译后修饰引起的蛋白质突变。

基因序列无法预测这些蛋白质突变，但纳米孔测序技术的出现扭转了这一局面。利用目前的纳米孔肽阅读器，研究人员可以直接观察这些“生物学中的暗物质”。

 

 

重复阅读单个蛋白质以提高准确性是很容易理解的。通讯作者Cees Dekker教授做了一个类比:项链上的珠子不仅大小不同，颜色也不同。例如，一些红色的珠子代表附着的磷酸基。另一颗蓝色的珠子代表一个连接的糖基。

这些变化对蛋白质功能至关重要，也是癌症等疾病的征兆。我们的新方法将能够检测这些变化，从而为癌症等疾病的检测和治疗提供新的理论基础。

综上所述，这种可以直接读取蛋白质序列的蛋白质组学工具对细胞生物学的研究和应用具有重要意义。

本研究展示了一种基于纳米孔的单分子肽阅读器，利用DNA解旋酶Hel308使DNA肽偶联物通过生物纳米孔MspA，并根据电流变化读取线性化蛋白的氨基酸序列。

更重要的是，该方法能够区分单个氨基酸的变化，具有高保真度和高通量潜力。

这一单分子肽阅读器标志着蛋白鉴定的新突破，并为单分子蛋白测序和单细胞分类开辟了道路。

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论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4381

(来源:互联网,仅参考)

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