測序牛人發(fā)布蛋白單分子測序技術
日期：2014-04-08 09:02:43
人類生命的藍圖是三十億堿基對組成的人類基因組。而DNA編碼的蛋白質(zhì)是幾乎所有生命過程的主要執(zhí)行者。
現(xiàn)在，美國亞利桑納州立大學Biodesign研究所的Stuart Lindsay及其同事，在納米孔DNA測序技術的基礎上，開發(fā)了能夠精確鑒定氨基酸的蛋白單分子測序技術。這一技術不僅可以用來在臨床上測序蛋白質(zhì)和檢測新生物指標，還有望給醫(yī)療領域帶來徹底的改變，在單分子水平上精確監(jiān)控患者對治療的應答情況。
Lindsay及其團隊讓單鏈肽段穿過納米孔，納米孔兩邊的電極可記錄每個氨基酸通過時產(chǎn)生的電信號。他們使用一種機器學習算法，讓電腦能夠識別代表不同氨基酸的特征信號。這些信號可以作為可靠的指紋，幫助人們鑒別氨基酸的種類，以及氨基酸發(fā)生的微妙改變。
這項研究于四月六日發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志的網(wǎng)站上。
從基因組到蛋白組蛋白對于細胞的生長、分化和修復至關重要，它們能夠催化化學反應，抵御疾病，具有各種各樣的重要功能。
與線蟲等簡單生物相比，人類的基因數(shù)相對較少，不過科學家們鑒定的人類蛋白已經(jīng)超過了十萬，而且不少人認為這些蛋白只是冰山一角。有限的基因數(shù)為何能形成如此大量的蛋白呢？這是因為蛋白能通過多種機制發(fā)生改變，選擇性剪切和翻譯后修飾就是其中兩個關鍵的過程。
在這項研究中，研究人員將一對金屬電極分隔在約兩納米的孔洞旁邊，當線性穿過這種納米孔的時候，每一個氨基酸都會完成一個電回路，并發(fā)出相應的電信號。而這樣的電信號可以幫助人們判斷，通過納米孔的是哪一個氨基酸。
這一技術稱為recognition tunneling，原本是Lindsay等人開發(fā)的DNA單分子測序技術。“大約兩年前，我們的一次實驗室會議提出，可以嘗試將這一技術用于氨基酸測序，”Lindsay說。與DNA的四種堿基相比，用recognition tunneling鑒定組成蛋白的二十種氨基酸實際上是一個更大的挑戰(zhàn)。
蛋白質(zhì)單分子測序技術具有巨大的應用價值，可以幫助人們檢測被選擇性剪切或翻譯后修飾改變的微量蛋白。而這些蛋白往往是疾病研究所追尋的目標，用其他技術很難檢測得到。
PCR技術能夠?qū)悠分形⒘康?/span>DNA快速擴增，但在蛋白研究領域還沒有這樣的技術，Lindsay強調(diào)。在這種情況下，能進行單分子水平上進行檢測的recognition tunneling，“將給蛋白質(zhì)組學研究帶來一場徹底的變革”。
這項研究為人們展示了一個，快速測序單個蛋白分子的低成本方法。據(jù)Lindsay介紹，該技術通過大約50種不同的信號特征來鑒定氨基酸，不過絕大多數(shù)鑒別只需要不到10個信號特征。
值得注意的是，recognition tunneling不僅能夠高度可信的鑒定氨基酸，區(qū)分翻譯后修飾的蛋白（肌氨酸）及其前體（甘氨酸），還能夠鑒別被稱為對映體的鏡像分子，以及質(zhì)量相同但序列不同的分子。
千元蛋白組？Lindsay的研究指出，可實現(xiàn)千元基因組測序的工具，也可以最終幫助人們完成千元蛋白質(zhì)組測序。實際上，Lindsay認為這一里程碑離我們并不遙遠。
目前，這一技術還需要使用復雜的實驗室儀器——掃描隧道顯微鏡STM。不過Lindsay和他的同事正在開發(fā)一個可以快速鑒定氨基酸和其他分析物的新設備，以便將低成本的蛋白質(zhì)組測序真正推廣到臨床。
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