Jeden skan białka, jeden aminokwas na raz

Korzystając z technologii sekwencjonowania DNA w nanoskali, naukowcy z TU Delft i University of Illinois byli w stanie zbadać pojedyncze białko. Powoli przesuwając liniowe białko przez maleńką nano-dziurkę, będącą wówczas pojedynczym aminokwasem, naukowcy byli w stanie odczytać prądy elektryczne, które odnoszą się do zawartości informacyjnej białka. Naukowcy opublikowali dowód koncepcji w Nauki ścisłe Dziś. Nowy czytnik peptydów jednocząsteczkowych stanowi przełom w identyfikacji białek i otwiera drogę do sekwencjonowania i katalogowania białek w obrębie pojedynczej komórki.

Białka są produktem pracy naszych komórek, ale po prostu nie wiemy, jakie białka wszyscy ze sobą nosimy. a białko Jest to długołańcuchowy peptyd składający się z 20 różnych rodzajów AminokwasyMożna go porównać do naszyjnika z różnymi rodzajami koralików. Na podstawie schematu DNA możemy przewidzieć aminokwasy, z których składa się białko. Jednak końcowe białko może znacznie różnić się od prążkowia, na przykład ze względu na modyfikacje potranslacyjne. Obecne metody pomiaru białek są drogie, ograniczone w dużych ilościach i nie pozwalają na wykrycie wielu rzadkich białek. Korzystając z technologii opartej na nanoporach, można faktycznie skanować i sekwencjonować pojedyncze cząsteczki DNA. Zespół kierowany przez Ceesa Dekkera (TU Delft) dostosował teraz tę technologię do badania pojedynczego białka, po jednym aminokwasie na raz.

„W ciągu ostatnich 30 lat sekwencjonowanie DNA oparte na nanoporach zostało rozwinięte od pomysłu do rzeczywistego działającego urządzenia” – wyjaśnia Cees Dekker. „Doprowadziło to nawet do powstania komercyjnych, ręcznych nanosekwencji, które służą wielomiliardowemu rynkowi genomów. W naszym artykule badawczym rozszerzamy koncepcję nanoporów o odczytywanie pojedynczych białek. Może to mieć znaczący wpływ na podstawowe badania nad białkami i diagnostykę medyczną ”.

Jak koraliki w ścieku

Nowa technika ujawnia właściwości pojedynczych aminokwasów w peptydzie, ale jak? Główny autor artykułu, Henry Brinkerhoff, który stworzył tę pracę jako badacz podoktorancki w laboratorium Deckera, wyjaśnia: „Wyobraź sobie łańcuch aminokwasów w pojedynczej cząsteczce peptydu jako naszyjnik z koralikami o różnych rozmiarach. Następnie wyobraź sobie, że otwierasz kran jakbyś powoli przesuwał ten naszyjnik w dół odpływu, a to w tym przypadku jest nanootworem. Jeśli duży koralik zatka odpływ, będzie przez niego przepływać niewiele wody; jeśli masz mniejsze koraliki w naszyjniku, prawda w zagłębieniu może przepływać więcej wody. Dzięki naszej technologii możemy bardzo dokładnie zmierzyć ilość przepływu wody (w rzeczywistości prąd jonów).

Cees Dekker entuzjastycznie dodaje: „Fajną cechą naszej technologii jest to, że byliśmy w stanie wielokrotnie odczytać pojedynczy łańcuch peptydowy. Następnie oceniamy wszystkie odczyty z tej pojedynczej cząsteczki, identyfikując w ten sposób cząsteczkę z zasadniczo 100% dokładnością”.

Skutkuje to unikalnym odczytem charakterystycznym dla konkretnego białka. Kiedy naukowcy zmienili pojedynczy aminokwas w peptydzie („jeden koralik w naszyjniku”), otrzymali bardzo różne sygnały, wskazujące na wyjątkową czułość technologii. Grupa kierowana przez Aleca Akcimentiva z University of Illinois przeprowadziła symulacje dynamiki molekularnej, które pokazały, w jaki sposób sygnały prądu jonowego odnoszą się do aminokwasów w nanoporach.

Skanowanie kodów kreskowych w celu identyfikacji

Nowa technologia jest bardzo skuteczna w identyfikowaniu pojedynczych białek i mapowaniu drobnych zmian między nimi – podobnie jak kasjer w supermarkecie identyfikuje każdy produkt, skanując jego kod kreskowy. Może również zapewnić nową drogę do pełnego sekwencjonowania białek de novo w przyszłości. Henry Brinkerhoff wyjaśnia: „Nasze podejście może stanowić podstawę dla jednego regulatora białka w przyszłości, ale sekwencjonowanie de novo pozostaje poważnym wyzwaniem. Dlatego nadal musimy scharakteryzować sygnały z dużej liczby peptydów, aby stworzyć ’ map’ łącząca sygnały prądu jonowego z sekwencją białkową. Jednak zdolność do rozróżniania podstawień pojedynczych aminokwasów w pojedyncze cząsteczki jest dużym postępem i istnieje tyle samo natychmiastowych zastosowań tej technologii, co obecnie.”

Przebłysk „ciemnej materii” w biologii

Korzystając z obecnego czytnika nanopeptydów, naukowcy mogą rozpocząć analizę białek unoszących się w naszych komórkach. Po syntezie w komórkach białka nadal ulegają zmianom wpływającym na ich funkcję, zwanymi modyfikacjami potranslacyjnymi. Powstałe miliony wariantów białek są trudne do zmierzenia i można je uznać za „ciemną materię w biologii”. Cees Dekker zauważa: „Aby kontynuować metaforę, po zrobieniu naszyjnika z jego koralików, nadal się on zmieni: niektóre czerwone koraliki przyklejają się do fosforylu, niektóre niebieskie koraliki do grupy cukru itp. Te zmiany są również niezbędne dla funkcji białka jako marker chorób, takich jak rak. Wierzymy, że nasze nowe podejście pozwoli nam odkryć takie zmiany, rzucając w ten sposób trochę światła na białka, które ze sobą nosimy.”