從痕量樣本中解碼生物分子的身份是生物技術領域的一個長期目標，雖然下一代測序技術已經(jīng)使識別單個 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 Wyss 研究所、哈佛醫(yī)學院 (HMS) 的 Blavatnik 研究所和波士頓兒童醫(yī)院 (BCH) 的分子機器人計劃中工作的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)使用 DNA 創(chuàng)建了可能是世界上最細的測量蛋白質(zhì)的尺子。

該技術被稱為“DNA 納米開關卡尺”(DNC)，使研究人員能夠通過施加少量的力對單個肽進行高精度的距離測量。通過在同一分子上快速進行許多這些距離測量，DNC 創(chuàng)建了一個獨特的“指紋”，可用于在后續(xù)實驗中識別同一分子。

DNC是基于DNA納米開關的基礎技術。這實際上是一條DNA的單鏈，在其長度的多個點上都有分子 “手柄”連接。當這些手柄中的兩個相互結合時，它們在DNA鏈中形成一個環(huán)，并且鏈的總長度被縮短。當施加力量將手柄拉開時，該鏈就會延伸回其原來的長度。鏈在成環(huán)和不成環(huán)狀態(tài)下的長度差異反映了環(huán)的大小，因此也反映了手柄之間的距離。

研究小組意識到，他們可以將DNA納米開關向前推進一步，將手柄設計成與生物大分子結合，那么手柄可以有效地將分子“夾在”它們之間，就像卡尺的兩個尖端，而不是相互結合。通過測量在手柄之間加入目標分子如何改變DNA納米開關在循環(huán)和非循環(huán)狀態(tài)下的總長度，該團隊假設他們可以有效地測量分子的大小。這就是DNC技術的原理。

在實驗當中，研究小組首先在簡單的單鏈DNA(ssDNA)分子上測試了DNC技術，并證實DNC的環(huán)狀和非環(huán)狀狀態(tài)之間的距離測量變化與目標分子的長度直接相關。這些長度變化可以用埃級精度(比DNA雙螺旋的寬度小10倍)來測量，從而能夠識別小到一個核苷酸的長度變化。

在確認DNC能夠可靠地測量DNA分子的大小之后，研究人員將重點轉(zhuǎn)移到了蛋白質(zhì)。他們設計了一個具有已知長度和序列的合成肽，并重復了該實驗，通過強柄將其連接到DNC的一端，并通過施加不同程度的力反復連接和斷開其弱柄與DNC之間的鍵。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的工具在強柄和弱柄之間測量的所有距離都與根據(jù)DNC的長度和肽中氨基酸的長度所預期的距離相符。當他們用DNC測量一種叫做NOXA BH3的自然發(fā)生的線性化肽時也得到了類似的結果。這個過程還為每條肽生成了獨特的測量指紋。

該團隊創(chuàng)建了一個計算機模型來預測有多少人類蛋白質(zhì)可以用這種方法進行唯一識別，并發(fā)現(xiàn)在一個常用的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，超過75%的蛋白質(zhì)可以通過指紋識別，概率至少為90%。

識別單個蛋白質(zhì)分子本身是一個令人印象深刻的壯舉，但是能夠同時對多個蛋白質(zhì)進行識別是單分子蛋白質(zhì)組學的真正圣杯。該團隊進一步證明，通過用一個磁鑷子系統(tǒng)取代光學珠，他們能夠?qū)Χ鄠€不同的肽進行平行測量，并確定不同分子的相對濃度。

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

關鍵詞： 是什么 神奇 技術 蛋白質(zhì) 指紋標尺