從痕量樣本中解碼生物分子的身份是生物技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，雖然下一代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)使識(shí)別單個(gè) DNA 和 RNA 分子成為可能，但同樣的能力還不能用于蛋白質(zhì)。但是，在哈佛大學(xué) Wyss 研究所、哈佛醫(yī)學(xué)院 (HMS) 的 Blavatnik 研究所和波士頓兒童醫(yī)院 (BCH) 的分子機(jī)器人計(jì)劃中工作的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)使用 DNA 創(chuàng)建了可能是世界上最細(xì)的測(cè)量蛋白質(zhì)的尺子。

該技術(shù)被稱為“DNA 納米開關(guān)卡尺”(DNC)，使研究人員能夠通過(guò)施加少量的力對(duì)單個(gè)肽進(jìn)行高精度的距離測(cè)量。通過(guò)在同一分子上快速進(jìn)行許多這些距離測(cè)量，DNC 創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)特的“指紋”，可用于在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中識(shí)別同一分子。

DNC是基于DNA納米開關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)。這實(shí)際上是一條DNA的單鏈，在其長(zhǎng)度的多個(gè)點(diǎn)上都有分子 “手柄”連接。當(dāng)這些手柄中的兩個(gè)相互結(jié)合時(shí)，它們?cè)贒NA鏈中形成一個(gè)環(huán)，并且鏈的總長(zhǎng)度被縮短。當(dāng)施加力量將手柄拉開時(shí)，該鏈就會(huì)延伸回其原來(lái)的長(zhǎng)度。鏈在成環(huán)和不成環(huán)狀態(tài)下的長(zhǎng)度差異反映了環(huán)的大小，因此也反映了手柄之間的距離。

研究小組意識(shí)到，他們可以將DNA納米開關(guān)向前推進(jìn)一步，將手柄設(shè)計(jì)成與生物大分子結(jié)合，那么手柄可以有效地將分子“夾在”它們之間，就像卡尺的兩個(gè)尖端，而不是相互結(jié)合。通過(guò)測(cè)量在手柄之間加入目標(biāo)分子如何改變DNA納米開關(guān)在循環(huán)和非循環(huán)狀態(tài)下的總長(zhǎng)度，該團(tuán)隊(duì)假設(shè)他們可以有效地測(cè)量分子的大小。這就是DNC技術(shù)的原理。

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，研究小組首先在簡(jiǎn)單的單鏈DNA(ssDNA)分子上測(cè)試了DNC技術(shù)，并證實(shí)DNC的環(huán)狀和非環(huán)狀狀態(tài)之間的距離測(cè)量變化與目標(biāo)分子的長(zhǎng)度直接相關(guān)。這些長(zhǎng)度變化可以用埃級(jí)精度(比DNA雙螺旋的寬度小10倍)來(lái)測(cè)量，從而能夠識(shí)別小到一個(gè)核苷酸的長(zhǎng)度變化。

在確認(rèn)DNC能夠可靠地測(cè)量DNA分子的大小之后，研究人員將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了蛋白質(zhì)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有已知長(zhǎng)度和序列的合成肽，并重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)，通過(guò)強(qiáng)柄將其連接到DNC的一端，并通過(guò)施加不同程度的力反復(fù)連接和斷開其弱柄與DNC之間的鍵。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的工具在強(qiáng)柄和弱柄之間測(cè)量的所有距離都與根據(jù)DNC的長(zhǎng)度和肽中氨基酸的長(zhǎng)度所預(yù)期的距離相符。當(dāng)他們用DNC測(cè)量一種叫做NOXA BH3的自然發(fā)生的線性化肽時(shí)也得到了類似的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程還為每條肽生成了獨(dú)特的測(cè)量指紋。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型來(lái)預(yù)測(cè)有多少人類蛋白質(zhì)可以用這種方法進(jìn)行唯一識(shí)別，并發(fā)現(xiàn)在一個(gè)常用的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，超過(guò)75%的蛋白質(zhì)可以通過(guò)指紋識(shí)別，概率至少為90%。

識(shí)別單個(gè)蛋白質(zhì)分子本身是一個(gè)令人印象深刻的壯舉，但是能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行識(shí)別是單分子蛋白質(zhì)組學(xué)的真正圣杯。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明，通過(guò)用一個(gè)磁鑷子系統(tǒng)取代光學(xué)珠，他們能夠?qū)Χ鄠€(gè)不同的肽進(jìn)行平行測(cè)量，并確定不同分子的相對(duì)濃度。

該研究題為"Single-molecule mechanical fingerprinting with DNA nanoswitch calipers"，發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上。

關(guān)鍵詞： 是什么 神奇 技術(shù) 蛋白質(zhì) 指紋標(biāo)尺