基于纳米孔技术的全新蛋白质测序方法：精准解析蛋白序列的突破性进展

找药助理

852次浏览发布时间：2024-10-28 11:35:38

　　蛋白质作为生命体内的核心分子，承担着细胞构建、信息传递、免疫反应等重要功能。然而，蛋白质的复杂性，特别是其多样化的结构形式，使得对蛋白质的测序一直是生命科学领域的一大挑战。虽然人类基因组已完成测序，但由于蛋白质结构的三维特性，蛋白质的精确测序一直未能实现。近期，华盛顿大学与牛津纳米孔技术公司联合研发了一种新方法，成功利用纳米孔技术完成了蛋白质的序列测定。相关研究发表于《Nature》期刊，研究表明这一方法或将成为蛋白质测序领域的重大突破。

　　蛋白质的复杂性与测序挑战

　　人体基因组包含约2万个基因，但基因表达所产生的蛋白结构形式(proteoform)多达数百万种，不同的蛋白结构形式源于基因剪接、翻译后修饰等过程。这些差异在蛋白质层面产生了人类个体间的显著差异。因此，蛋白质的精确测序对于研究个体差异、疾病发生机制以及药物开发具有极高价值。

　　相比于基因测序，蛋白质测序面临的挑战更大。基因由核苷酸序列组成，具有相对简单的线性结构，容易通过测序技术读取。然而，蛋白质由二十种不同氨基酸组成，并以三维方式折叠形成复杂的结构。此外，蛋白质在细胞内的活性受到多种化学修饰的影响，这种多样性增加了测序的难度。因此，蛋白质测序不仅需要准确读取氨基酸序列，还需辨别其结构特性，纳米孔技术的应用正是针对这一难题的新探索。

　　纳米孔技术的应用与发展

　　纳米孔技术最早应用于基因组测序，主要通过细胞膜上的纳米孔道让DNA链通过，并利用电流变化记录序列信息。牛津纳米孔技术公司是该领域的先锋，利用纳米孔技术完成了多种生物分子的测序工作。牛津纳米孔公司创始人之一Hagan Bayley领导的团队曾发现，纳米孔可以选择性地通过特定离子，为后续在蛋白质测序中的应用奠定了基础。

　　此次研究，团队通过将蛋白质链逐步拉入纳米孔中并对其进行电场测量，成功实现了蛋白质的结构测序。这一方法借助脂质通道中的纳米孔，让蛋白质分子在电场作用下逐步展开，并在特定通道内通过，使研究人员可以通过电信号的变化记录下蛋白质的氨基酸序列。

　　纳米孔蛋白质测序方法的工作原理

　　这项新的蛋白质测序方法主要通过在蛋白质末端添加带负电荷的序列，形成一个“尾部”，再利用电场将其拉过纳米孔。这一过程首先将蛋白质拉伸至全长，以便让其通过纳米孔道。电场作用可以拉动带负电的蛋白质尾部逐步进入纳米孔，从而拉动整个蛋白质分子依次通过孔道。研究团队还设计了一个“塞子”装置，防止蛋白质拉动速度过快。塞子不仅可以减缓蛋白质的通过速度，还可以使蛋白质链在进入纳米孔时尽可能保持拉直状态，以便于后续的精确测序。

　　当蛋白质缓慢通过纳米孔时，电流变化便会记录其序列信息。不同氨基酸在纳米孔中的位置会引发不同的电流振幅变化，研究人员通过分析电流的变化幅度，从而推测出通过的氨基酸类型。通过这种方法，从蛋白质的一端到另一端依次完成氨基酸序列的读取，最终获得完整的蛋白质序列。这一过程的实现标志着蛋白质测序方法的一大飞跃，提供了一种无需复杂前处理即可完成测序的解决方案。

　　挑战与展望：进一步完善与实际应用

　　尽管这一方法在蛋白质测序上取得了初步成效，但还存在一些亟待解决的问题。首先，目前的技术流程需要在蛋白质尾部添加特定的负电序列，这一过程较为繁琐，且对不同的蛋白质类型可能需要不同的处理方式，限制了方法的普遍适用性。研究人员希望能在未来找到一种无需额外添加尾部的方式来直接测序，从而提高操作的便捷性。此外，在蛋白质拉过纳米孔的过程中，电场偶尔会失去控制，影响测序的准确性。因此，控制电场的稳定性是下一步的关键。

　　尽管面临挑战，这项研究仍为蛋白质测序技术的发展提供了重要的参考。未来，纳米孔蛋白质测序方法有望应用于个体化医疗中，例如，通过精准分析患者体内特定蛋白质的结构与功能差异，帮助医生制定更为个性化的治疗方案。此外，该技术在疾病标志物筛查、药物靶点开发等领域也具备潜在的应用价值。特别是在癌症、神经退行性疾病等复杂疾病中，蛋白质结构的变化可能是病理过程中的重要环节，纳米孔技术将有助于揭示这些疾病的分子机制。

　　结论

　　纳米孔技术在蛋白质测序中的应用为破解蛋白质序列提供了新途径，标志着蛋白质组学研究的新进展。这一方法不仅提高了蛋白质测序的效率和精确性，还展示了纳米孔技术在生物分子研究中的多样化应用潜力。随着研究的深入，纳米孔蛋白质测序有望进一步完善，为蛋白质组学领域开辟新的方向，也为生命科学和医学研究提供更为精细的工具。

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