纳米孔技术在蛋白质变异检测方面取得突破
图片来源：工程蛋白质纳米孔引导的水通量足以捕获、展开和移位长度超过 1200 个氨基酸的蛋白质。蛋白质通过纳米孔易位期间的电流调制检测到蛋白质深处的翻译后修饰(显示为圆形、三角形和六边形)。图片来源：WEI-HSUAN LAN 和 YUJIA QING。
科学家们开发出了一种突破性的方法来检测基于纳米孔技术的蛋白质结构变化。
蛋白质链通过工程纳米孔输送，通过微小电流的调制检测到结构的细微变化。
该方法可以改变我们对蛋白质变异如何与疾病相关的理解，并允许即时诊断。
由牛津大学领导的科学家团队在检测蛋白质结构修饰方面取得了重大突破。该方法发表在《自然纳米技术》上，采用创新的纳米孔技术来识别单分子水平的结构变化，甚至是长蛋白质链深处的结构变化。
人类细胞含有大约 20,000 个蛋白质编码基因。然而，在细胞中观察到的蛋白质的实际数量要多得多，已知的不同结构超过 1,000,000 种。这些变体是通过称为翻译后修饰 (PTM) 的过程产生的，该过程发生在 DNA 转录蛋白质之后。PTM 引入结构变化，例如向构成蛋白质的单个氨基酸添加化学基团或碳水化合物链。这导致同一蛋白质链产生数百种可能的变异。
这些变异在生物学中发挥着关键作用，能够精确调节单个细胞内复杂的生物过程。绘制这种变异图将揭示大量有价值的信息，从而彻底改变我们对细胞功能的理解。但迄今为止，产生全面蛋白质库存的能力仍然是一个难以实现的目标。
为了克服这个问题，牛津大学化学系研究人员领导的团队成功开发了一种基于纳米孔DNA/RNA测序技术的蛋白质分析方法。在这种方法中，定向水流捕获 3D 蛋白质并将其展开成线性链，这些线性链通过微小的孔进入，这些孔的宽度足以让单个氨基酸分子通过。通过测量施加在纳米孔上的电流的变化来识别结构变化。不同的分子会对电流产生不同的干扰，从而赋予它们独特的特征。
该团队成功证明了该方法在单分子水平上检测长度超过 1,200 个残基的蛋白质链的三种不同 PTM 修饰(磷酸化、谷胱甘肽化和糖基化)的有效性。其中包括蛋白质序列深处的修饰。重要的是，该方法不需要使用标签、酶或其他试剂。
研究小组表示，新的蛋白质表征方法可以很容易地集成到现有的便携式纳米孔测序设备中，使研究人员能够快速建立单细胞和组织的蛋白质库存。这可以促进即时诊断，从而能够个性化检测与癌症和神经退行性疾病等疾病相关的特定蛋白质变异。
该研究的撰稿人、牛津大学化学系教授Yujia Qing表示：“这种简单而强大的方法开启了无数的可能性。最初，它允许检查单个蛋白质，例如与特定疾病有关的蛋白质。从长远来看，该方法有可能在细胞内创建更多的蛋白质变体库存，从而深入了解细胞过程和疾病机制。
牛津纳米孔技术公司的特约作者兼联合创始人Hagan Bayley 教授(牛津大学化学系)补充道：“在单分子水平上精确定位和识别翻译后修饰和其他蛋白质变异的能力具有巨大的前景促进我们对细胞功能和分子相互作用的理解。它还可能为个性化医疗、诊断和治疗干预开辟新途径。
Oxford Nanopore Technologies 是一家基于 Bayley 教授的研究于 2005 年成立的衍生公司，现已成为下一代测序技术的领跑者。Oxford Nanopore 的专利纳米孔技术使科学家能够使用便携式、廉价的设备快速对核酸(DNA 和 RNA)进行测序，而标准测序通常需要专门的实验室。Oxford Nanopore 设备彻底改变了基础和临床基因组学，并在 COVID-19 大流行期间在帮助追踪新冠状病变种的传播方面发挥了关键作用。
这项工作是与伦敦国王学院和弗朗西斯·克里克研究所的机械生物学家 Sergi Garcia-Maynes 的研究小组合作进行的。
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