Small Methods:去垢剂DDM在纳米孔蛋白质测序技术中的应用

纳米孔单分子检测技术相比传统检测技术而言具有较好的时间和空间分辨率,尤其具备单分子检测精度。自1996年Kasianowicz等人首先提出采用α-溶血素纳米孔检测DNA/RNA分子以来,经过20余年的发展纳米孔在DNA分子检测中已经取得了骄人的成绩,甚至在近几年已经被成功用于DNA测序中,目前Oxford已经基于生物纳米通道成功研制了一款名为MinION的测序仪,虽然该测序仪的检测精度还尚达不到常规测序仪的水平,但是由于该测序仪仅有USB优盘大小,且测序所需时间短,其在高效性和便捷性方面具有明显的优势。鉴于蛋白质的复杂性,用纳米孔实现高精度的蛋白质测序仍面临极大的挑战。生物纳米孔虽然具备稳定的晶体结构,但是它对所存在的环境较为敏感,使用寿命得不到保证,此外与硅基芯片的大规模集成可行性还有待考证和商榷,而固态纳米孔在这些方面却有较好的优势。然而固体纳米孔单分子传感器在应用于蛋白质分子的相关检测之前仍然面临着一些关键技术问题亟需解决。其中一个主要问题是如何保证蛋白质分子在解折叠状态的情况下降低其穿过纳米孔的过孔速度,从而在现有膜片钳放大器检测频率下使得通过纳米孔的离子电流能携带更多的蛋白质氨基酸信息,为超灵敏的蛋白质测序提供数据支撑。

东南大学机械工程学院陈云飞教授(https://me.seu.edu.cn/2014/0106/c1467a242201/page.htm)、沙菁㛃教授(https://me.seu.edu.cn/2014/0116/c1475a17780/page.htm)及其研究团队青年教师司伟老师(https://me.seu.edu.cn/2014/0116/c20679a237759/page.htm)等成员在调控蛋白质分子输运机制方面的研究取得重要进展。他们通过在离子溶液中加入去垢剂DDM,实现了对解折叠态蛋白质过孔速度的有效调控,通过实验比对发现相比溶液中不加任何去垢剂DDM的时候蛋白质分子过孔速度可以降低约一个数量级。通过全原子分子动力学建模系统的分析,发现蛋白质过孔速度降低的主要原因是去垢剂的疏水基团与蛋白质的疏水性氨基酸残基产生较强的吸附作用,从而在蛋白质穿过纳米孔时,必须要先突破去垢剂DDM与蛋白质黏附的能垒,将去垢剂DDM从蛋白质链上剥离后方能使得蛋白质分子顺利穿过纳米孔。此外,研究还表明去垢剂的存在能长时间将蛋白质稳定在解折叠状态,更加有助于蛋白质以链状的结构穿过纳米孔,这也是纳米孔蛋白质测序的基本保障。通过对比加入去垢剂DDM前后蛋白质氨基酸过孔时对应的阻塞离子电流信号,该团队发现不同的氨基酸依然可以产生不同幅值的调制离子电流,对纳米孔蛋白质测序的精度影响较小。此外,基于去垢剂DDM的成本相对低廉,降速效果较好,且能稳定蛋白质的解折叠结构,还不影响氨基酸对应阻塞电流信号的区分辨识这些优点,该研究成果为未来高精度的纳米孔蛋白质测序传感器的设计与制造指明了一条可能的捷径。相关论文在线发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201900822)。

相关工作得到了国家科技部重点研发计划,国家自然科学基金,江苏省基础研究计划,以及东南大学机械工程学院微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室的资助。