作者:亚利桑那州立大学理查德·哈特 一种脱氧核糖核酸聚合酶——一种从核苷酸构建块合成脱氧核糖核酸分子的酶——位于一对电极之间
聚合酶与核苷酸的结合导致电导峰，这可能是聚合酶结合的特定分子的特征
理论上，这种装置可以进行快速、准确、低成本的脱氧核糖核酸测序，并可能在医学诊断、工业生产和其他领域有许多其他应用
学分:林赛实验室 在生命所必需的生物分子动物园中，酶是最重要的
没有这些加快化学反应速度的特殊蛋白质，从细胞生长和消化到呼吸和神经功能的成千上万个基本生命过程都是不可能的
在新的研究中，斯图尔特·林赛和他的同事调查了最近发现的由酶完成的壮举，很可能是所有的蛋白质
在适当的条件下，它们可以作为极好的导电体，允许它们被结合到一系列电子设备中
“这是一种将酶惊人的化学多样性直接插入计算机的方法，”林赛说
尽管蛋白质电导在自然界中的作用仍然是一个谜和猜测，但利用这一现象为人类服务将可能为生化传感设备、智能工业生产和医学诊断的新创新开辟新的途径
也许最令人兴奋的是，通过一种特殊类型的酶的电导可能标志着脱氧核糖核酸测序的重大进展
在这样的设备中使用一种脱氧核糖核酸聚合酶，大自然自己的高分辨率脱氧核糖核酸阅读器，有可能以前所未有的精度以极低的成本对整个人类基因组进行闪电般的测序
这项新的研究“打开了潘多拉盒子，让人们可以观察计算机芯片中任何酶的功能
" 时事 这项新研究的作者描述了他们用来将脱氧核糖核酸聚合酶附着在一对电极上的技巧，以及由此产生的与酶连续结合和释放目标脱氧核糖核酸核苷酸相关的电流尖峰
酶电导的成功演示为最终将蛋白质阵列安装到计算机芯片上铺平了道路，在计算机芯片上，它们可以作为多种任务的生物并行处理器
“酶是不可思议的分子，能进行化学反应，否则不会发生，”林赛说
为了理解这些分子的力量，某些对生命过程至关重要的反应，每秒展开数千次，在没有酶的情况下需要数千年才能发生
林赛是亚利桑那州立大学单分子生物物理生物设计中心的主任
该中心的主要研究集中在分子医学和纳米技术的结合上
他的研究小组的发现发表在即将出版的《美国化学学会纳米》杂志上
蛋白质作为导体 直到最近，蛋白质还被严格认为是电流的绝缘体
现在看来，它们不同寻常的物理特性可能会导致它们敏感地平衡在绝缘体和导体之间
(一种被称为量子临界的现象可能是他们奇特行为的核心
) 事实上，在早期的研究中，林赛通过一对电极之间捕获的蛋白质展示了很强的导电性
这项新研究将蛋白质电导的研究向前推进了一步
此前，这种蛋白质是通过两个所谓的活性位点连接起来的
这些是蛋白质结合选定分子的区域，通常会导致分子复杂的三维结构发生构象变化，从而完成蛋白质的既定任务
这一次，生物分子通过酶上的交替结合位点灵敏地连接到电极上，留下活性位点可用于结合分子和执行天然蛋白质功能
大自然的Kindle 为实验选择的酶分子是生命中最重要的分子之一
这种酶被称为脱氧核糖核酸聚合酶，它与一段脱氧核糖核酸中连续的核苷酸结合，并一个接一个地产生互补的核苷酸链
这种多功能的纳米机器用于生物系统，在细胞复制过程中复制脱氧核糖核酸，以及修复断裂或其他对脱氧核糖核酸的损伤
这项研究描述了将脱氧核糖核酸聚合酶固定在电极上的技术，以便通过两种称为生物素和链霉亲和素的特殊结合化学物质产生强电导信号
当使用这种技术使一个电极功能化时，当DNA聚合酶连续结合和释放每个核苷酸时，产生小的电导尖峰，就像一只抓住和释放棒球的手
当两个电极都装有链霉亲和素和生物素时，可以观察到更强的电导信号，其大小是原来的3-5倍
斯图尔特·林赛是单分子生物物理生物设计中心的主任
他还是董事教授，纳丁和爱德华·卡森的物理和化学教授
学分:亚利桑那州立大学生物设计研究所 利用聚合酶进行快速DNA测序的想法已经存在于琳赛一段时间了
他曾考虑在他创造的早期设备中使用它，在这些设备中，部分脱氧核糖核酸通过狭窄的隧道连接被输送
“如果你能把一对电极放在聚合酶里面，那不是很好吗？因为聚合酶抓住了脱氧核糖核酸，并通过连接处把它挤出来。”
如果你在聚合酶中嵌入了读出机制，你就有了理想的测序机器
" 新方法希望采取不同的方法，利用聚合酶自身的速读专业知识，通过4个脱氧核糖核酸碱基中每一个特定的电导尖峰来提供核苷酸的读数
在实践中，必须克服许多设计障碍
电导聚合酶的正确连接是一件微妙的事情，需要大量的试验和错误
必须在不影响蛋白质折叠和功能的特定区域设计结合位点，并且必须设计连接来防止酶本身与电极接触
生物素结合分子的使用似乎也是高电导的关键
生物素结合链霉亲和素的口袋似乎有助于驱动电子深入蛋白质内部，从而最大化电导
将记录每个连续DNA碱基的电导信号与背景噪声和酶接触点的随机运动分离开来也具有挑战性，复杂的机器学习算法正被用于阐明电导读数
林赛认为，当聚合酶被整合到适当隔离和密封的芯片中，将酶牢牢固定在适当的位置时，许多噪音问题将得到解决
酶前沿 第一个完整的人类基因组是科学和医学的里程碑
人类基因组计划的巨大努力耗费了13年的劳动力，花费了10亿美元
现在，蛋白质生物电子新时代的闸门可能正在打开，许多惊喜可能即将到来
如果剩余的技术障碍能够被克服，脱氧核糖核酸测序可以以一种功能性脱氧核糖核酸聚合酶的极快速度进行，或者大约每秒100个核苷酸
“如果你把10000个分子放在一个芯片上——这并不难做到——你将在一小时内完成整个基因组的测序，”林赛说
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