哈佛大学
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随着科学家对生命奥秘的探索越来越小，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分子的身份现在已经变得司空见惯，但蛋白质还不是这样，蛋白质在几乎所有生物过程中都是至关重要的角色
蛋白质比脱氧核糖核酸和核糖核酸复杂得多，而且经常经过化学修饰，因此很难实现轻松识别样品中单个蛋白质的目标(单分子蛋白质组学)
现在，在哈佛大学怀斯研究所、哈佛医学院布拉瓦茨尼克研究所和BCH波士顿儿童医院的分子机器人计划中工作的科学家们已经利用生命本身的基本物质DNA，创造了可能是世界上最微小的测量蛋白质的标尺
这项被称为“脱氧核糖核酸纳米开关卡尺”的技术使研究人员能够通过施加少量的力对单个肽(蛋白质的组成部分)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，脱氧核糖核酸创造了一个独特的“指纹”，可以在随后的实验中用来识别它
这项成果发表在《自然纳米技术》杂志上
“当你试图理解生物学中的一些东西时，有两种主要的探究方法:你可以观察你的对象的自然状态，或者你可以干扰它，看看它如何反应
观测可以提供大量伟大的生物信息，但有时了解事物的最佳方式是与它进行物理互动，”合著者黄恺杰博士说
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，威斯学院副教授，英国皇家科学院副教授，同时也是BCH大学的研究员
“通过施力来确定肽分子中氨基酸的模式是正在进行的技术科学探索中的一个新范例，这将使我们能够像目前对DNA测序一样容易地对蛋白质进行测序
" 使用武力 脱氧核糖核酸是基于脱氧核糖核酸纳米开关的基础技术:一条单链脱氧核糖核酸，分子“手柄”附着在它的长度上的多个点上
当其中两个手柄相互结合时，它们在DNA链中形成一个环，链的总长度缩短
当施加力将手柄拉开时，线延伸回到其原始长度
处于成圈和未成圈状态的绳的长度之间的差异反映了圈的大小，因此也反映了手柄之间的距离
研究小组意识到，他们可以将DNA纳米开关向前推进一步:如果他们将手柄改造成与生物分子结合，手柄可以像测径器的两个尖端一样，有效地将分子“夹”在它们之间，而不是相互结合
通过测量手柄之间目标分子的添加如何改变DNA纳米开关的环形和环形的总长度
在未被发现的状态下，研究小组假设它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:只需对某个物体施加力，看看它如何响应变化，”第一作者达伦·杨说，他是怀斯研究所和的博士后研究员
“这是一种我们还没有真正在单分子蛋白质组学领域看到的方法，因为对如此小的物体施加力是难以置信的挑战
但是我们准备迎接挑战
" 为了将基于力的新测量技术的想法变为现实，杨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:一种“强”手柄将分子牢牢固定在脱氧核糖核酸的一端，另一种“弱”手柄可以连接到脱氧核糖核酸的另一端
然后，他们将脱氧核糖核酸的两端拴在两个悬浮在激光束中的“光陷”珠子上
通过将珠子移得更近，他们诱导目标分子的一个弱手柄与脱氧核糖核酸结合，形成环状状态
当他们通过将珠子进一步分开来增加力时，脆弱的手柄最终释放了它的结合，使脱氧核糖核酸回到它更长的、未张开的状态
该团队首先在简单的单链DNA (ssDNA)分子上测试了这项技术，并证实了DNA环状和非环状状态之间距离测量的变化与目标分子的长度直接相关
这些长度变化可以用埃级别的精度来测量(比DNA双螺旋的宽度小十倍)，从而能够识别小到单个核苷酸的长度变化
因为目标分子包含多个可以与DNC结合的弱手柄，所以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，这些距离测量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 在确认脱氧核糖核酸可以可靠地测量脱氧核糖核酸分子的大小后，研究人员将焦点转移到他们的真正目标:蛋白质
他们设计了一种已知长度和序列的合成肽(氨基酸的短链)，并重复了这个实验，通过强手柄将其连接到脱氧核糖核酸的一端，并通过施加不同的力反复连接和破坏其弱手柄和脱氧核糖核酸之间的键
他们发现，他们的工具测量的强手柄和弱手柄之间的所有距离都与基于脱氧核糖核酸长度和肽中氨基酸长度的预期距离相匹配
当他们用脱氧核糖核酸测量一种叫做NOXA BH3的天然线性化肽时，也得到了类似的结果
这一过程还为每种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多少人类蛋白质，并发现在一个常用的蛋白质数据库中，超过75%的蛋白质可以通过指纹识别，概率至少为90%
共同第一作者普拉卡什·施雷斯塔博士说:“实际上，我们对这项技术的效果感到有些惊讶。”
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，威斯研究所和BCH的博士后研究员
“光镊已经存在了几十年，在环状和非环状状态之间循环DNA已经存在了大约10年，我们不确定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，他们能够并行对多种不同的肽进行测量，并确定不同分子的相对浓度
“由于在缩放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，基于力的序列指纹有可能实现这个梦想，”合著者威廉·施博士说
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，怀斯研究所的核心教员，英国皇家医学院和达纳法伯癌症研究所的教授
“我们的最终目标不仅是高效读取蛋白质序列，还要以高通量的方式读取蛋白质结构
" 科学家们实现这一目标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本的分析速度
“这项研究将分子生物物理学与怀斯研究所首创的尖端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互动和分析
当威廉和韦斯利第一次提出这个想法作为新成立的分子机器人倡议的核心挑战时，它确实看起来像科幻小说，但这正是我们想在怀斯承担的项目类型
我为团队将这项技术变成现实而感到非常自豪——它有潜力彻底改变我们的科学研究和治疗方法。”
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博士
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，他也是哈佛医学院和BCH的犹大·福克曼血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·阿的生物工程教授
保尔森工程和应用科学学院
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