蛋白质是我们细胞的主力，但我们根本不知道我们携带的是什么蛋白质。蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的长肽串，就像项链上有不同种类的珠子一样。根据DNA蓝图，我们可以预测蛋白质由哪些氨基酸组成。然而，最终的蛋白质可能与蓝图有很大的不同，这可能是由于翻译后修饰。目前测量蛋白质的方法价格昂贵，首先量大，而且不能检测许多稀有蛋白质。利用纳米孔技术，人们已经能够扫描和排序单个DNA分子。由荷兰代尔夫特工业大学生物纳米科学系杰出大学教授、荷兰皇家艺术和科学院院士Cees Dekker领导的研究小组现在发布了一种新种技术，能一次扫描一种蛋白质，一种氨基酸。

Cees Dekker解释说:“在过去的30年里，基于纳米孔的DNA测序已经从一个想法发展成为一个实际的工作设备。”这甚至导致了商业化的手持纳米孔测序仪，服务于价值数十亿美元的基因组市场。在我们的论文中，我们将纳米孔的概念扩展到单个蛋白质的读取。这可能会对基础蛋白质研究和医学诊断产生重大影响。”

就像掉进下水道的珠子

这项新技术甚至揭示了肽内单个氨基酸的特征，这篇论文的主要作者Henry Brinkerhoff最开始着手于这项研究时，他还是Dekker实验室的博士后。他解释说:“想象一下，一个肽分子中的氨基酸链就像一条项链，上面有不同大小的珠子。然后，想象你打开水龙头，慢慢地把项链移到下水道里，这里是纳米孔。如果一颗大珠子堵塞了下水道，那里面的水也就成了涓涓细流；如果你在项链的排水管处放了更小的珠子，就会有更多的水流过。通过我们的技术，我们可以非常精确地测量水流的数量(实际上是离子电流)。”

Cees Dekker补充道:“我们技术的一个很酷的特点是，我们能够一次又一次地读取单个肽串，然后我们从单个分子中读取的所有数据的平均值，从而以基本上100%的准确率识别这个分子。”

这就能获得一个独特的解读，这是一个特定的蛋白质的特征。当研究人员甚至改变了肽内的一个氨基酸(“项链内的一个珠子”)，他们也会获得了非常不同的信号，这表明该技术极其敏感。伊利诺伊大学的Alek Aksimentiev领导的小组进行了分子动力学模拟，显示了离子电流信号与纳米孔中的氨基酸之间的关系。

扫描条形码进行识别

这项新技术在识别单个蛋白质和绘制它们之间的细微变化方面非常强大，就像超市的收银员通过扫描条形码来识别每个产品一样。这也可能为未来的蛋白质从头测序提供新的途径。Henry Brinkerhoff澄清道:“我们的方法可能为未来的单蛋白测序奠定基础，但从头测序仍然是一个巨大的挑战。为此，我们仍然需要描述来自大量多肽的信号，以便创建一个连接离子电流信号和蛋白质序列的‘地图’。即便如此，分辨单个分子中单氨基酸取代的能力是一项重大进步，这项技术有许多直接应用。”

瞥见生物学的“暗物质”

利用目前的纳米孔肽阅读器，研究人员可以开始分析在我们细胞中漂浮的蛋白质。在细胞内合成后，蛋白质仍会发生影响其功能的变化，这被称为翻译后修饰。由此产生的数百万种蛋白质变异很难测量，可以被认为是“生物学中的暗物质”。

Cees Dekker说，“我们可以继续用这个比喻：在项链上的珠子制成后，它仍然会发生变化——一些红色的珠子上附着一个磷酸基，一些蓝色的珠子上附着一个糖基，等等。这些变化对蛋白质功能至关重要，也是癌症等疾病的标志。我们认为，我们的新方法将使我们能够检测到这些变化，从而为我们检测蛋白质带来一些曙光。”

Journal Reference:

1. Henry Brinkerhoff, Albert S. W. Kang, Jingqian Liu, Aleksei Aksimentiev, Cees Dekker. Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores. Science, 2021; 2021; DOI: 10.1126/science.abl4381