多肽成打開蛋白質大門鑰匙 破解納米孔測序的技術瓶頸
2021-09-15 11:38:08 來源:科技日報
蛋白質是構建生命體的基本物質之一,在合成、催化和信號傳感等所有生命活動中均承擔著重要的功能。開發(fā)一種可靠、高效的蛋白質測序技術對于理解生命過程、揭示疾病機理至關重要。作為構成蛋白質的組成片段——多肽成為打開蛋白質這扇大門的鑰匙。
納米孔測序技術是近年來新興的一種單分子測序技術,其中多肽納米孔測序仍面臨諸多挑戰(zhàn)。科技日報記者9月12日從南京大學獲悉,該校化學化工學院研究團隊在國際知名期刊《納米快報》雜志發(fā)表論文稱,他們利用納米孔錯位測序技術,像在水井里提繩打水一樣,構建了多肽-DNA嵌合鏈,用DNA測序酶與DNA的結合,通過DNA的移動,帶動多肽分子在納米孔內的棘輪運動,從而破解了對多肽進行納米孔測序的技術瓶頸。
現(xiàn)有蛋白質測序技術有缺陷
蛋白質是組成人體一切細胞、組織的重要物質,可以說,沒有蛋白質就沒有生命。而蛋白質的功能是由蛋白質的序列決定的,序列的微小改變,可能導致蛋白質失去生物活性或者誘發(fā)疾病。
如果我們能為蛋白質測序,就可以確定蛋白質是否有序列變化,從而判斷其是否會對人類健康產生影響。
“與核酸檢測不同,目前蛋白質測序的難點在于,缺乏有效的序列擴增方法,技術發(fā)展上停滯不前,主要靠質譜法和埃德曼降解法來測序。”該論文的通訊作者、南京大學化學化工學院教授黃碩說。
通俗地說,質譜法是用生物酶將蛋白質分解成很多多肽片段,再通過質譜儀器檢測,確定蛋白質片段的信息,最終將這些片段重構成蛋白質序列。而埃德曼降解法是用化學方法將蛋白質N端的一個氨基酸切下來進行鑒定,然后再進行第二輪的氨基酸切割和鑒定,多次循環(huán)操作后,確定氨基酸的序列。
但在黃碩看來,這兩個方法都有局限性。“相較于DNA和RNA測序,構成蛋白質的氨基酸種類更多,質譜法的檢測難度大于核酸測序。而對埃德曼降解法來說,它只能對單一的蛋白質樣品序列解析,如果降解的樣品純度不夠,混合有多種蛋白質樣品,那么被切下來的氨基酸就會有很多種,就無法確定哪個氨基酸來自哪個蛋白質,從而無法判斷蛋白質的序列。另外,還有一些肽段的末端是封閉的,就不能用降解法。”黃碩介紹。
更重要的是,由于無法實現(xiàn)序列擴增,現(xiàn)有蛋白質測序技術的靈敏度較低,這意味著無法檢測自然界中一些豐度很低的蛋白質樣品。黃碩認為,現(xiàn)有技術難以對復雜環(huán)境中的蛋白質直接測序,比如體液、土壤、水體中的蛋白質樣品,要先做一些純化、富集,達到測序的樣品標準,才能在質譜儀中測序。同時,蛋白質的化學修飾很豐富,這也有可能干擾蛋白質測序。
DNA“牽手”多肽“穿行”納米孔
能不能找到一種更微觀的測序方式,只用一個分子就能為蛋白質測序?從2015年開始,納米孔測序技術進入黃碩課題組研究視野。
納米孔測序技術是近年來新興的一種單分子測序技術,已在DNA和RNA測序方面取得成功,它讓單鏈的核酸穿過納米孔,通過納米孔內的檢測器獲得核酸鏈的堿基信息。
“如果能在單分子水平上為蛋白質測序,我們就能對低豐度蛋白和單細胞蛋白質組學進行更加靈敏的檢測。”黃碩表示,他們課題組受此啟發(fā),開始研究如何用納米孔技術,進行蛋白質或多肽的單分子測序。
但是納米孔測序仍面臨諸多挑戰(zhàn),其中一個主要的困難是如何實現(xiàn)多肽在納米孔中可控的棘輪運動,而這主要緣于目前沒有和肽鏈相匹配、有很強親和力的多肽測序酶。
黃碩告訴記者:“棘輪運動指的是生物高分子貼著納米孔的內壁,順著同一個方向做勻速、定向運動,類似于附著在齒輪內壁上移動一樣,這需要找到一種酶來控制多肽的運動速度。”
黃碩課題組在多輪嘗試失敗后提出納米孔錯位測序技術。“核酸的納米孔識別位點和酶的反應位點,有一個固定的約14—15個堿基的錯位,這就形成了一個測序窗口,可以利用這個不受酶反應限制的窗口,實現(xiàn)測序。”黃碩說。
納米孔錯位測序技術能否應用在多肽測序領域?在此次研究中,黃碩課題組將多肽和DNA嵌合成一條鏈條,嵌合鏈的DNA部分為“牽引鏈”,在檢測過程中,DNA測序酶與DNA結合,通過拉動DNA部分,牽動整條鏈在納米孔中的可控棘輪運動,實現(xiàn)多肽的納米孔直接讀取。
黃碩解釋道:“這就相當于用繩子在井里提水桶,如果井是納米孔的話,井繩就是DNA,水桶就是多肽。‘井口’的DNA測序酶拉動DNA在納米孔內移動,而DNA又與多肽嵌合在一起,DNA的移動,也就直接拉動了多肽的移動,從而實現(xiàn)了多肽的納米孔測序。”
黃碩介紹,經驗證,多肽的納米孔測序信號表現(xiàn)出高度的一致性和序列相關性,由單氨基酸替換引起的電流變化也能被清楚地檢測到。通過將多肽的N端或C端與DNA驅動鏈進行偶聯(lián),實現(xiàn)了對多肽兩端氨基酸序列信息的讀取。
“這意味著,可以對蛋白質單分子進行測序,這為今后的蛋白質高通量測序及蛋白質重構,提供了一個全新的工具。”黃碩說,借助蛋白質序列研究,可以對蛋白質的功能進行預測,從而幫助理解、解釋相關生命活動。(科技日報記者 金鳳)
相關閱讀
- 汽車塑料回收變成石墨烯?新節(jié)能技術讓...
- 研究人員發(fā)現(xiàn)加強中年人記憶新方法 或...
- 研究顯示:太赫茲探測器有望催生新物理效應
- 喜馬拉雅扭角羚有了新發(fā)現(xiàn) 顛覆傳統(tǒng)認知
- 上海野生動物園進行特殊直播 2個月內直...
- 近90%材料擁有遠離固有電子數(shù)的拓撲態(tài)
- 研究顯示:約20%-38%人至少有一次清晰嗅覺夢
- 打開科技大門!莫比烏斯碳納米帶已合成
- 腦成像技術再添新突破 首次將AI元學習...
- 全新鐵電憶阻器器件成果發(fā)布 實現(xiàn)生物...
- 生物土壤結皮或可降低全球揚塵排放的55%
- 研究人員開發(fā)出新方法 更好理解基因表...