2021-12-05

Nature | 全新设计的纳米孔用作单分子DNA\肽段检测

原创 图灵基因 图灵基因 2021-12-05 07:05

收录于话题#前沿分子生物学技术

日本科学家表示，他们设计了第一个自下而上的肽，可以形成人工纳米孔，以识别和实现脂质膜中遗传物质的单分子分类。他们相信他们的研究成果可以用于促进对蛋白质结构和功能之间关系的理解。

据研究小组称，生物纳米孔通常是由成孔蛋白形成的通道，可以检测特定分子，但这种天然通道难以识别，限制了其在低成本、快速DNA测序、小分子检测等方面的应用。他们的研究结果发表在《Nature》上的一篇题为“De novo design of a nanopore for single-molecule detection that incorporates a β-hairpin peptide”的文章中。

“纳米孔传感是一种强大的无标记单分子检测工具。”通讯作者、日本东京农工大学（TUAT）教授Ryuji Kawano博士说，“这是第一次使用全新设计的纳米孔检测DNA和多肽。”

“蛋白质的氨基酸序列编码有关其三维结构和特定功能的信息。全新设计已成为一种操纵一级结构的方法，用于开发具有所需功能的人工蛋白质和肽。”研究人员写道。

“本文描述了一种名为SV28的成孔肽的全新设计，它具有β-hairpin结构，并在双层脂质膜中组装形成稳定的纳米孔。这种大型合成纳米孔是一种用于实际应用的完全人工装置。该肽形成直径为1.7至6.3 nm的多分散纳米孔结构，可以检测DNA。”

“为了形成单分散的纳米孔，我们通过引入甘氨酸扭结突变重新设计了SV28。由此产生的重新设计的肽形成了一个直径为1.7 nm的单分散孔，导致检测到单个多肽链。这种β-hairpin肽的从头设计有可能产生人工纳米孔，其大小可根据目标分子进行调整。”

研究人员指出，全新设计的纳米孔是“从头开始”构建的，并且有可能模拟天然蛋白质及其检测特定蛋白质的能力。至关重要的是，研究人员说，它们还可以被设计成人工分子机器，能够检测更广泛的分子——这可能有助于阐明目标蛋白质的结构和功能之间的联系。

研究人员说：“蛋白质的折叠结构由其线性多肽序列决定，并产生特定的蛋白质功能。”他指出，所有蛋白质都具有独特的结构和大小。“独特的一级结构是结构进化的结果，例如氨基酸残基随时间的突变和选择。揭示这一主要信息与蛋白质结构之间的关系是科学的最终目标之一。”

为了开发能够更好地检测和识别实际应用中的分子的大型合成纳米孔，Kawano和团队设计了一种名为SV28的肽。由于两个氨基酸臂呈锐角弯曲，末端带有特定的电荷，可以通过施加电压精确控制发夹状肽的方向。

该肽可组装形成大小为1.7至6.3纳米的纳米孔结构，适用于检测DNA分子。

研究人员还通过添加导致肽结构以特定方式弯曲和扭曲的突变来修改SV28。由此产生的肽形成均匀分散的孔，每个孔为1.7纳米，能够检测单个多肽链或蛋白质的一半。

在接下来的步骤中，该团队计划设计各种肽和蛋白质来构建不同类型的纳米孔，以帮助肽测序，并作为分子机器人进行操作。