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今日，顶尖学术期刊在线发表一篇重要论文——科学家首次使用纳米孔技术，以单氨基酸的分辨率，对蛋白质序列进行了直接读取，可谓是纳米孔技术一大重量级的概念验证。
说到纳米孔技术，很多人会想到DNA测序。的确，在这一领域，纳米孔技术已经得到了非常广泛的应用。它的原理也很容易理解——当长链DNA分子通过纳米尺寸的空隙时，会随着碱基的不同，产生相应的电流变化。而通过仪器识别这种电流变化，就可以反推出相应的碱基，从而还原DNA的序列。“在过去的30年里，纳米孔DNA测序技术已经从一个想法，发展成了实际的工作设备，”本研究的通讯作者Cees Dekker教授说道， “这也带来了手持的纳米孔测序仪，能服务于数十亿美元的基因组学市场。在我们的论文里，我们拓展纳米孔技术，使其能读取单个蛋白质。对于蛋白质的基础研究和医学诊断来说，这技术可能有重要的意义。”可能有人会问，蛋白序列不是由DNA序列决定的吗？既然已经能对DNA进行测序了，我们为啥又要去测蛋白序列呢？这是因为最终蛋白产物并不总与DNA所编码的相一致，有一些蛋白还会发生翻译后的修饰。
▲纳米孔技术对DNA测序的示意图（图片来源：DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons）
那纳米孔是怎么用在蛋白质序列的读取上的呢？第一作者Henry Brinkerhoff博士解释说，大的原则还是没有变化。我们可以将组成蛋白质的多肽链看成是一串项链，项链上的珠子就是尺寸大小各异的氨基酸。而测序的过程，就是将多肽链穿过纳米孔，也就好比是项链穿过下水管道。如果珠子比较大，堵住了管道，那么流通的水就会变少。相反，如果珠子比较小，那么流过的水就会变多。通过比较水流的变化，就可以精准地分析出通过下水管道的珠子顺序。在实际操作中，仪器检测的是离子的流动产生的电信号，以此推出通过纳米孔的氨基酸的先后顺序。在论文里，科学家们证明了这一技术的精准性。一条DNA-多肽偶联物被拖过由MspA蛋白组成的纳米孔后，能准确读出多肽上的氨基酸序列。而倘若更改了其中的一个氨基酸，机器也能准确地识别出这一变化。
▲黄色的DNA与紫色的多肽相偶联，在红色的酶的拖动下，偶联物穿过湖绿色的纳米孔，并读出不同氨基酸产生的信号（橙色发光部位）（图片来源：Cees Dekker Lab TU Delft / SciXel.）
研究人员们还指出，这一技术的另一大亮点在于能反复读取一条多肽链序列，进行平均处理，获得几乎100%准确的氨基酸顺序。论文摘要提到，在单氨基酸的检测上，错误率可以低于10的负6次方。利用这一技术，未来我们有望分析在细胞中存在的大量蛋白。研究人员们指出，自从被细胞合成之后，蛋白就会经历一系列变化，影响它们的功能。了解这数千万个不同蛋白的序列，有望对其功能进行更好地探索。当然，要准确地还原蛋白的面貌，科学家们还有不少路要走。但至少，他们已经找到了前进的方向。参考资料：
[1] Henry Brinkerhoff et al., (2021), Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores, Science, DOI: 10.1126/science.abl4381
[2] Scanning a single protein, one amino acid at a time, Retrieved November 4, 2021, from https://www.eurekalert.org/news-releases/933889
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