哈佛大学研究团队创建世界上最小的蛋白质指纹标尺

从痕量样本中解码生物分子的身份是生物技术领域的一个长期目标，虽然下一代测序技术已经使识别单个 DNA 和 RNA 分子成为可能，但同样的能力还不能用于蛋白质。但是，在哈佛大学 Wyss 研究所、哈佛医学院 (HMS) 的 Blavatnik 研究所和波士顿儿童医院 (BCH) 的分子机器人计划中工作的科学家们现在已经使用 DNA 创建了可能是世界上最细的测量蛋白质的尺子。

该技术被称为“DNA 纳米开关卡尺”（DNC），使研究人员能够通过施加少量的力对单个肽进行高精度的距离测量。通过在同一分子上快速进行许多这些距离测量，DNC 创建了一个独特的“指纹”，可用于在后续实验中识别同一分子。

DNC是基于DNA纳米开关的基础技术。这实际上是一条DNA的单链，在其长度的多个点上都有分子 “手柄”连接。当这些手柄中的两个相互结合时，它们在DNA链中形成一个环，并且链的总长度被缩短。当施加力量将手柄拉开时，该链就会延伸回其原来的长度。链在成环和不成环状态下的长度差异反映了环的大小，因此也反映了手柄之间的距离。

研究小组意识到，他们可以将DNA纳米开关向前推进一步，将手柄设计成与生物大分子结合，那么手柄可以有效地将分子“夹在”它们之间，就像卡尺的两个尖端，而不是相互结合。通过测量在手柄之间加入目标分子如何改变DNA纳米开关在循环和非循环状态下的总长度，该团队假设他们可以有效地测量分子的大小。这就是DNC技术的原理。

在实验当中，研究小组首先在简单的单链DNA（ssDNA）分子上测试了DNC技术，并证实DNC的环状和非环状状态之间的距离测量变化与目标分子的长度直接相关。这些长度变化可以用埃级精度（比DNA双螺旋的宽度小10倍）来测量，从而能够识别小到一个核苷酸的长度变化。

在确认DNC能够可靠地测量DNA分子的大小之后，研究人员将重点转移到了蛋白质。他们设计了一个具有已知长度和序列的合成肽，并重复了该实验，通过强柄将其连接到DNC的一端，并通过施加不同程度的力反复连接和断开其弱柄与DNC之间的键。

他们发现，他们的工具在强柄和弱柄之间测量的所有距离都与根据DNC的长度和肽中氨基酸的长度所预期的距离相符。当他们用DNC测量一种叫做NOXA BH3的自然发生的线性化肽时也得到了类似的结果。这个过程还为每条肽生成了独特的测量指纹。

该团队创建了一个计算机模型来预测有多少人类蛋白质可以用这种方法进行唯一识别，并发现在一个常用的蛋白质数据库中，超过75%的蛋白质可以通过指纹识别，概率至少为90%。

识别单个蛋白质分子本身是一个令人印象深刻的壮举，但是能够同时对多个蛋白质进行识别是单分子蛋白质组学的真正圣杯。该团队进一步证明，通过用一个磁镊子系统取代光学珠，他们能够对多个不同的肽进行平行测量，并确定不同分子的相对浓度。

该研究题为'Single-molecule mechanical fingerprinting with DNA nanoswitch calipers'，发表在Nature Nanotechnology期刊上。

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