Упрощённый анализ белков с помощью «прилипания-скольжения» в нанопорах и их электрических «отпечатков»

Технология, разработанная в лаборатории профессора Амита Меллера из Техниона — Израильского технологического института, знаменует значительный прогресс в направлении быстрого анализа протеома с далеко идущими последствиями для фундаментальных исследований и диагностики заболеваний.

В статье-мнении в Nature за 2023 год технология секвенирования белков на уровне одной молекулы была названа самой важной из семи перспективных технологий. В статье подчёркивался ключевой вклад группы профессора Меллера в продвижение технологий к коммерциализации систем секвенирования белков.

Поскольку белки являются фундаментальными строительными блоками организма, их быстрая и точная идентификация имеет решающее значение для понимания здоровья и болезней человека. В статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, профессор Меллер сообщает о прорыве, который приближает эту цель.

Как работает технология нанопор

Технология использует уникальный подход профессора Меллера — картирование биологических молекул с использованием синтетических нанопор, изготовленных с помощью передовых нанотехнологий, — для идентификации «отпечатка» целых белков.

Существующие методы уже могут детектировать белки, проходящие через нанопоры, но для идентификации отдельных белков требуется использование сложных молекулярных моторов для замедления движения или создание антител для каждого белка, что ограничивает чувствительность и увеличивает стоимость анализа.

Технология профессора Меллера упрощает анализ, позволяя точно контролировать движение белка через нанопору с помощью механизма «прилипания-скольжения» — чередования быстрой адгезии и скольжения. Когда белок проходит через пору, система регистрирует ионный ток, генерируя уникальный электрический «отпечаток» для каждой молекулы.

Улучшения в скорости и точности

Модель машинного обучения (ML) затем расшифровывает эти сигнатуры тока для идентификации белков со скоростью на несколько порядков выше, чем у существующих методов. Прохождение каждого белка занимает лишь долю секунды, что позволяет проводить идентификацию почти в реальном времени.

Учитывая, что одна человеческая клетка содержит миллионы белков, этот подход представляет собой потенциальный прорыв в комплексном анализе протеома.

Применение и будущие направления

Исследование было сосредоточено на аминокислоте цистеин, которая необходима для многих физиологических функций. Поскольку около 97% человеческих белков содержат цистеин или его остатки, этот подход применим почти ко всему протеому.

Кроме того, технология не ограничивается конкретной аминокислотой, и команда уже работает над её расширением для включения многих других, включая те, которые подвергаются посттрансляционным модификациям (PTMs).

Новый метод имеет широкий спектр потенциальных клинических применений, включая диагностику рака и персонализированное лечение на основе простых тестов, таких как образцы крови. Ожидается, что в научном плане он продвинет исследования белков и расширит их применимость к широкому спектру белков.

Согласно профессору Меллеру, долгосрочная цель — разработка интегрированной платформы для экспресс-диагностики белков в больницах, лабораториях и клинических исследованиях.