第三代測序領(lǐng)軍人物開發(fā)新的單分子工具

日期：2015-09-30 08:44:33

最近，來自美國華盛頓大學(xué)（UW）和Illumina公司的一組科學(xué)家，開發(fā)出了一種創(chuàng)新性的工具，可直接檢測DNA和酶蛋白之間微妙的單分子相互作用。他們的方法提供了一個新的平臺，可與實(shí)時地觀察和記錄這些納米級的相互作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在九月二十八日的《Nature Biotechnology》，研究人員表示，這一工具能夠?yàn)榧?xì)胞蛋白用來結(jié)合DNA鏈的不同機(jī)制，提供快速可靠的表征，這些信息可以在原子尺度上進(jìn)一步闡述我們細(xì)胞內(nèi)的相互作用，并有助于設(shè)計新的藥物療法，通過靶定與DNA相互作用的酶，來對抗病原體。延伸閱讀：簡化單分子測量的新型芯片平臺。

本文資深作者是華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授Jens Gundlach，他在納米孔測序技術(shù)方面成就赫然，他解釋說：“還有其他的單分子工具，但我們的新工具更為敏感。我們能夠真正在原子尺度上捕捉到蛋白質(zhì)傳遞到DNA的運(yùn)動。”

如同在科學(xué)過程中發(fā)生的那樣，他們開發(fā)了這一工具——單分子皮米分辨率的納米鑷子（SPRNT）。

UW團(tuán)隊一直都在探索納米孔技術(shù)，來快速地讀取DNA序列。我們的基因是長的DNA分子，是由四個化學(xué)DNA “字母”組合構(gòu)成的。在他們的方法中，Gundlach和他的團(tuán)隊測量了通過生物孔隙（稱為MSPA，嵌入一層修飾的細(xì)胞膜）的電流。當(dāng)DNA通過小孔中的一個開口——只有0.00000012厘米寬的一個開口，是人頭發(fā)寬度的萬分之一，電流會根據(jù)DNA字母序列而發(fā)生改變。他們利用這些變化來推斷DNA序列。

Gundlach和他的團(tuán)隊，在研究納米孔測序的過程中，嘗試了各種各樣的分子馬達(dá)，搬運(yùn)DNA通過動這個孔。他們發(fā)現(xiàn)，他們的實(shí)驗(yàn)裝置足夠敏感，因此能夠觀察遠(yuǎn)小于DNA上相鄰字母之間的距離。他們在論文中報道稱，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，SPRNT檢測DNA和蛋白質(zhì)之間相互作用的敏感性要高出七倍。

Gundlach指出：“一般來說，目前研究單分子運(yùn)動的大多數(shù)技術(shù)，如光學(xué)鑷子，最多有300皮米的分辨率。用SPRNT，我們可以達(dá)到40皮米的分辨率。”作為參考，40皮米是0.000000004厘米，或0.0000000016英寸。

該論文的共同作者、華盛頓大學(xué)物理學(xué)博士后研究員Andrew Laszlo說：“我們意識到，我們可以檢測孔內(nèi)DNA位置的細(xì)微差別。我們可以看到蛋白質(zhì)如何與核酸結(jié)合、并將其移動通過孔隙的差異。”

這些差異致使每個細(xì)胞蛋白在與DNA的相互作用中，發(fā)揮獨(dú)特作用。細(xì)胞有蛋白質(zhì)來復(fù)制DNA，“讀取”DNA以表達(dá)基因和修復(fù)DAN（當(dāng)它被損壞時）。有些細(xì)胞蛋白解開DNA，而另一些則是和DNA緊密結(jié)合在一起的。

生物學(xué)家早就認(rèn)識到，蛋白質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行這些作用，但是蛋白質(zhì)對DNA起作用時的物理運(yùn)動，一直很難直接檢測。Laszlo說：“當(dāng)你有了SPRNT提供的分辨率，你就可以拆開這些蛋白采取的步驟”。

Gundlach和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，SPRNT非常敏感，因此能區(qū)分兩個細(xì)胞蛋白用來將DNA通過納米孔開口的機(jī)制之間的差異。根據(jù)本文共同作者、UW物理學(xué)博士生Jonathan Craig介紹，一種蛋白質(zhì)——通常復(fù)制DNA，當(dāng)它引導(dǎo)DNA通過孔的時候，沿著DNA一個字母一個字母地移動。第二個蛋白——通常解開DNA，反而采取兩個步驟，沿每個DNA字母，這可以通過跟蹤電流的微小變化觀察到。他們甚至發(fā)現(xiàn)，這兩個步驟都涉及到蛋白質(zhì)用來沿DNA移動的連續(xù)的化學(xué)過程。

Laszlo說：“你真的可以看到根本的機(jī)制，并有許多影響——從理解生命如何運(yùn)作，到藥物設(shè)計。”

Gundlach認(rèn)為，這個工具可能為理解“細(xì)胞蛋白質(zhì)如何處理DNA”打開新的窗口，這可以幫助設(shè)計蛋白質(zhì)來執(zhí)行新的功能。這些精細(xì)的細(xì)節(jié)也可以幫助科學(xué)家們了解“蛋白質(zhì)中的突變?nèi)绾螘?dǎo)致疾病”，或者發(fā)現(xiàn)將是藥物治療理想靶點(diǎn)的蛋白質(zhì)特性。

Gundlach說：“例如，病毒基因編碼它們自己的蛋白質(zhì)，加工它們自己的DNA。如果我們用SPRNT來篩選特異性破壞這些蛋白質(zhì)功能的藥物，它就可以干擾病毒。”