蛋白質是構成生物體的主要成分，同時也是生命活動的主要承擔者。具有生物學功能的蛋白質往往具有特定的空間結構，而蛋白質結構在多個層級上被定義，其中一級結構，即氨基酸的種類和排列，最為重要，它可以決定蛋白質的高級結構。

但一直以來，想要直接讀取蛋白質的一級結構是十分困難的，在大多數(shù)情況下，科學家們會根據(jù)基因序列和氨基酸密碼子表來“破譯”蛋白質的氨基酸序列。然而，由于轉錄后修飾和翻譯后修飾的存在，破譯結果并非完全正確，甚至與真實的氨基酸序列有很大差異。

2021年11月4日，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員在 Science 期刊上發(fā)表了題為：Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores（利用納米孔在單氨基酸分辨率下對單蛋白質進行多次重讀）的研究論文。

該研究利用納米孔測序技術成功掃描并讀取單個蛋白質的氨基酸序列：線性化的DNA-肽復合物緩慢通過一個微小的納米孔，根據(jù)電流的變化和強度，研究人員就能讀取相關的蛋白質信息內(nèi)容，直接對蛋白質的氨基酸序列進行測序。

蛋白質是生命活動的主要承擔者。事實上，所有生物的蛋白質都是由大約20種不同的氨基酸組成的長肽鏈，就像項鏈上有不同種類的珠子一樣。遺憾的是，目前的蛋白質測序方法價格昂貴，而且不能檢測許多稀有蛋白質。

近年來發(fā)展起來的納米孔測序技術，已經(jīng)能夠直接掃描和排序單個DNA分子。如今，這篇發(fā)表在 Science 上的研究表明，我們完全可以以類似于DNA納米孔測序的方式直接讀取蛋白質的氨基酸序列。

本研究的通訊作者 Cees Dekker 教授表示：在過去的30年里，基于納米孔的DNA測序已經(jīng)從一個想法發(fā)展成為一個實際的工作設備，并成功開發(fā)了商業(yè)化的便攜式納米孔測序儀，服務于價值數(shù)十億美元的基因組測序市場。在我們的論文中，我們將納米孔的概念擴展到單個蛋白質的讀取。這可能會對基礎蛋白質研究和醫(yī)學診斷產(chǎn)生重大影響。

直接讀取氨基酸序列

對于如何利用納米孔讀取肽鏈中的單個氨基酸的特征，這篇論文的第一作者 Henry Brinkerhoff 博士打了一個形象的比喻：“想象一下，一個肽鏈中的氨基酸鏈就像一條項鏈，上面有不同大小的珠子。然后，你打開水龍頭，慢慢地把項鏈送入下水道，也就是納米孔。如果在某個時間點是一顆大珠子，它會堵塞下水道，那里面的水也就成了涓涓細流。相反，如果是一顆小珠子，那么下水道剩余的空隙就會比較大，水流也更大。”

因此，通過這項技術，研究人員可以非常精確地測量納米孔的電流大小，并以此推測相應的氨基酸種類。更關鍵的是，這個過程并不會影響肽鏈的完整性，因此我們能夠一次又一次地讀取單個肽鏈，然后對所有數(shù)據(jù)進行擬合，從而以基本上100%的準確率獲得肽鏈的序列組成。

條形碼般的識別精度

為了進一步驗證這項技術的準確性，研究人員改變了肽鏈的某個氨基酸，然后能夠檢測到顯著差異的電信號，表明該技術是極其靈敏的。

事實上，這項新技術在識別單個蛋白質和繪制它們之間的細微變化方面非常強大，打個形象的比方——就像超市的收銀員通過掃描條形碼來識別每個產(chǎn)品一樣。這也可能為未來的蛋白質從頭測序提供新的途徑。

Henry Brinkerhoff 博士表示：這項方法可能為未來蛋白質測序奠定基礎，但就目前來說，蛋白的從頭測序仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。我們?nèi)匀恍枰罅棵枋鰜碜圆煌蛄械碾娦盘枺员銊?chuàng)建一個對應電信號和蛋白質序列的“密碼表”。但即便如此，該研究已經(jīng)能夠成功分辨蛋白質序列中的單個氨基酸的改變，這無疑是一項重大進步，也將產(chǎn)生許多直接應用。

看見生物學的“暗物質”

暗物質，是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質，它可能是宇宙物質的主要組成部分，但又不屬于構成可見天體的任何一種已知的物質。

在細胞中，存在許多不可知的“暗物質”——翻譯后修飾導致的數(shù)百萬種蛋白質變異。這些蛋白質變異無法通過基因序列進行預測，但納米孔蛋白測序技術的出現(xiàn)扭轉了這一情況，利用目前的納米孔肽閱讀器，研究人員可以直接觀測這些“生物學中的暗物質”。

為了方便理解，通訊作者 Cees Dekker 教授打了一個比喻：項鏈上的珠子并不只是大小不同，還可能顏色不同，比如一些紅色的珠子上代表附著一個磷酸基，另一些藍色的珠子上代表附著一個糖基。這些變化對蛋白質功能至關重要，同時也是癌癥等疾病的標志。我們的新方法將能夠檢測到這些變化，從而為癌癥等疾病的檢測和治療提供新的理論依據(jù)。

結語

總而言之，這種能夠直接讀取蛋白質序列的蛋白質組學工具對于細胞生物學的研究和應用具有重要意義。該研究展示了一種基于納米孔的單分子肽閱讀器，它利用DNA解旋酶Hel308將DNA-肽結合物通過生物納米孔MspA，根據(jù)電流變化讀取線性化蛋白質的氨基酸序列。更重要的是，這種方法可以區(qū)分單個氨基酸的變化，具有高保真度和高通量潛力。這種單分子肽閱讀器標志著蛋白質鑒定的新突破，并為單細胞內(nèi)的單分子蛋白質測序和分類開辟了道路。

撰文 | 王聰