新方法利用纳米孔测序快速鉴定蛋白质

　　

蛋白质负责人体的大部分功能。然而，蛋白质分析就目前而言仍非常复杂，这种分析对于理解疾病、研发药物和发现新的生物标志物至关重要。

日内瓦大学（UNIGE）的研究人员近日利用一种称为“纳米孔检测”的技术，开发出一种快速高效的蛋白质分子鉴定方法。这项成果发表在《Journal of the American Chemical Society》上，为更快速的诊断铺平了道路。

纳米孔检测的工作原理十分简单。它利用嵌入膜中、宽度仅为几纳米的微型孔。当物体穿过这个孔时，会短暂地扰乱流经其中的电流。每个物体都会产生特征性的复杂电流变化，就像一种“分子指纹”。

通过分析这些信号，研究人员最终可以区分不同的物体，即使是非常相似的物体。日内瓦大学理学院助理教授Chan Cao领导的研究团队表明，这项生物技术可广泛应用于多个领域，从更快速的诊断到个性化医疗，乃至数据存储——在数据存储领域，数字信息可编码于长链合成分子中，随后仅需将其通过纳米孔即可读取。

“纳米孔技术是一种单分子检测技术，因此非常适合检测极低浓度的分子。要将这项技术应用于蛋白质，关键挑战在于找到一种可靠地驱动蛋白质通过纳米孔的方法。蛋白质本身带有复杂的电荷，因此仅靠电泳力无法有效地控制其运动，”Chan Cao解释说。

为了解决这一难题，研究人员利用了一种称为“电渗流（electro-osmotic flow）”的现象，即纳米孔内部的液体流动可以驱动蛋白质通过，而无论其电荷如何。

在这种方法中，当蛋白质通过纳米孔时，它会短暂地扰乱流经纳米孔的电流，并以类似于指纹的方式被检测出来。关键在于确保相似但不同的蛋白质不会被混淆。当蛋白质高度相似时，它们随时间产生的电信号往往难以可靠区分。

为了解读纳米孔产生的电信号，研究人员使用了人工智能（AI）。每次蛋白质通过这个纳米孔时，都会产生一个复杂的信号，类似于一个独特但带有噪声的波形。他们将这个信号分解成许多可测量的特征（如持续时间或电流随时间的变化），并将其输入到一个算法中，该算法学习将这些特征的模式与特定的蛋白质关联起来。

通过对已知样本进行训练，这个系统可以根据未知蛋白质的“指纹”识别它们，即使差异非常小。这项进展是蛋白质分析领域的一大飞跃，有望实现单分子检测和无标记蛋白质鉴定。

第一作者、日内瓦大学的Verena Rukes表示：“我们目前正在努力建立所测得的电流与蛋白质序列之间的联系。这不仅可帮助我们识别已经测量过的蛋白质，还能直接分析全新的、未知的蛋白质样本。”

相关文献

Single-Molecule Fingerprinting of Unlabeled Full-Length Proteins Using an Aerolysin Nanopore