随着科学家们在越来越小的尺度上探索生命的奥秘，他们发明了工具来帮助他们理解他们所观察到的东西。由于下一代测序技术的商业发展，确定 DNA 和 RNA 分子的身份现在变得司空见惯，但蛋白质的情况还不是这样，蛋白质在几乎所有生物过程中都是至关重要的参与者。蛋白质比 DNA 和 RNA 复杂得多，并且通常经过化学修饰，因此难以实现轻松识别样品中的单个蛋白质的目标(单分子蛋白质组学)。
现在，在哈佛大学 Wyss 研究所、哈佛医学院 (HMS) 的 Blavatnik 研究所和波士顿儿童医院 (BCH) 的分子机器人计划中工作的科学家们已经使用 DNA(生命本身的基本物质)来创造可能成为世界上测量蛋白质的最小尺子。
这项被称为“DNA 纳米开关卡尺”(DNC)的技术使研究人员能够通过施加少量的力对单个肽(蛋白质的构建块)进行高精度的距离测量。通过对同一分子快速进行多次距离测量，DNC 创建了一个独特的“指纹”，可用于在后续实验中对其进行识别。该成果发表在《自然纳米技术》上。
“当你试图理解生物学中的某些东西时，有两种主要的探究方法：你可以在自然状态下观察你的对象，或者你可以扰乱它并看看它是如何反应的。观察可以提供很多重要的生物学信息，但有时了解某事的最佳方式是与它进行身体互动，”共同通讯作者 Wesley Wong 博士说，他是 Wyss 研究所的副教员、HMS 的副教授，同时也是 BCH 的研究员. “通过施加力来确定肽分子中氨基酸的模式是正在进行的科学探索技术的新范例，这些技术将使我们能够像目前对 DNA 进行测序一样轻松地对蛋白质进行测序。”
用力
DNC 基于DNA 纳米开关的基础技术：单链 DNA，分子“手柄”沿其长度的多个点连接到它。当这些手柄中的两个相互结合时，它们会在 DNA 链中形成一个环，并且链的总长度会缩短。当施加力将手柄拉开时，绳索会延伸回其原始长度。处于成环和未成环状态的股线长度之间的差异反映了环的大小，从而反映了手柄之间的距离。
研究团队意识到，他们可以将 DNA 纳米开关更进一步：如果他们设计手柄以与生物分子结合，手柄可以像卡尺的两个尖端一样有效地将分子“夹”在它们之间，而不是与每个尖端都结合其他。通过测量在手柄之间添加目标分子如何改变 DNA 纳米开关在环状与非环状状态下的总长度，该团队假设他们可以有效地测量分子的大小。
“在某些方面，DNA 纳米开关利用了一种最经典的机械方法来测量物体：只需对某物施加力，然后观察它如何响应变化，”共同第一作者、Wyss 研究所的博士后研究员 Darren Yang 说。比特币现金。“这是一种我们在单分子蛋白质组学领域还没有真正使用过的方法，因为对如此小的物体施加力是非常具有挑战性的。但我们迎接了挑战。”
为了将他们的新的基于力的测量技术的想法变为现实，Yang 和他的同事首先将两种不同类型的手柄连接到目标分子上：一个“强”手柄将分子牢固地固定在 DNC 的一端，以及几个“弱”手柄可以连接到 DNC 的另一端。然后，他们将 DNC 的两端拴在悬浮在激光束中的两个“光学捕获”珠子上。通过将珠子靠得更近，他们诱导目标分子的一个弱手柄与 DNC 结合，从而形成环状状态。当他们通过将珠子进一步分开来增加力时，弱手柄最终释放了它的键，使 DNC 恢复到更长的未循环状态。
该团队首先在简单的单链 DNA (ssDNA)分子上测试了这项技术，并确认 DNC 成环和未成环状态之间距离测量值的变化与目标分子的长度直接相关。这些长度变化可以以埃级精度进行测量(比 DNA 双螺旋的宽度小十倍)，从而能够识别出与单个核苷酸一样小的长度变化。
由于目标分子包含多个可以与 DNC 结合的弱手柄，因此结合和破坏这些手柄的重复循环会在强手柄和弱手柄之间产生一系列距离测量值，这些测量值对于每个测量的分子都是唯一的。这种“指纹”可用于识别样品中的已知分子，或推断未知分子的结构信息。
探测蛋白质
确认 DNC 可以可靠地测量 DNA 分子的大小后，研究人员将注意力转移到了他们的真正目标上：蛋白质。他们设计了一种已知长度和序列的合成肽(一种短氨基酸链)并重复实验，通过强柄将其连接到 DNC 的一端，并反复连接和断开其弱柄与 DNC 之间的键通过施加不同大小的力。他们发现，他们的工具测量的强柄和弱柄之间的所有距离都与基于 DNC 长度和肽中氨基酸长度的预期距离相匹配。当他们使用 DNC 测量一种称为 NOXA BH3 的天然线性化肽时，他们也得到了类似的结果。
此过程还为每个肽生成了独特的测量指纹。该团队创建了一个计算机模型来预测使用这种方法可以唯一识别出多少人类蛋白质，并发现常用蛋白质数据库中超过 75% 的蛋白质可以通过指纹识别，概率至少为 90%。
“实际上，我们对这种技术的效果感到有些惊讶，”共同第一作者、Wyss 研究所和 BCH 的博士后研究员 Prakash Shrestha 博士说。“光学镊子已经存在了几十年，在成环和未成环状态之间循环 DNA 已经存在了大约 10 年，我们不确定通过结合这些想法是否能获得足够高分辨率的测量结果。但事实证明，这些指纹对于识别蛋白质非常有效。”
识别单个蛋白质分子本身就是一项令人印象深刻的壮举，但能够同时识别多个蛋白质是单分子蛋白质组学的真正圣杯。该团队进一步证明，通过用磁性镊子系统替换光珠，他们能够并行测量多种不同的肽，并确定不同分子的相对浓度。
“由于规模和分辨率方面的挑战，单分子蛋白质组学在很大程度上仍然是一个白日梦。我们目前的工作表明，基于力的序列指纹识别有可能实现这一梦想，”共同通讯作者 William Shih 博士说。 ，Wyss 研究所的核心教员，HMS 和 Dana-Farber 癌症研究所的教授。“我们的最终目标是以高通量方式不仅有效地读取蛋白质序列，而且还有效地读取蛋白质结构。”
科学家们朝着这个目标迈出的下一步是验证他们的卡尺对折叠蛋白质及其复合物的低力结构测量，研究它们在结构生物学和蛋白质组学中的潜在用途。他们还致力于提高该技术的吞吐量，以进一步加快混合样品的分析速度。
“这项研究将分子生物物理学与 Wyss 研究所开创的尖端 DNA 纳米技术相结合，使我们能够以一种真正新颖的方式与生物分子进行交互和分析。当威廉和韦斯利首次提出这一想法时，作为新成立的新成员的核心挑战分子机器人计划，它真的看起来像科幻小说，但这正是我们想要在 Wyss 进行的项目类型。我为团队使这项技术成为现实感到非常自豪——它有可能彻底改变Wyss 创始董事 Don Ingber 博士说，他也是哈佛医学院和 BCH 血管生物学的 Judah Folkman 教授，以及哈佛约翰 A.保尔森工程与应用科学学院。