Сканирование одиночного белка по одной аминокислоте

Исследователи из Делфтского технического университета и Университета Иллинойса использовали технологию нанопорового секвенирования ДНК для сканирования одиночного белка. Медленно протягивая линейную белковую цепь через крошечную нанопору по одной аминокислоте за раз, учёные смогли считать электрические токи, которые связаны с информационным содержанием белка. Исследователи опубликовали доказательство концепции в журнале Science. Новый одно-молекулярный считыватель пептидов знаменует прорыв в идентификации белков и открывает путь к одно-молекулярному секвенированию белков и каталогизации белков внутри одной клетки.

Белки — это рабочие лошадки наших клеток, но мы до сих пор не знаем, какие белки мы носим в себе. Белок — это длинная пептидная цепь, состоящая из 20 различных типов аминокислот, подобная ожерелью с разными бусинами. По ДНК-шаблону мы можем предсказать, из каких аминокислот состоит белок. Однако конечный белок может сильно отличаться от шаблона, например, из-за посттрансляционных модификаций. Современные методы измерения белков дороги, ограничены большими объёмами и не могут обнаружить многие редкие белки. С помощью нанопоровой технологии уже можно сканировать и секвенировать отдельные молекулы ДНК. Команда под руководством Сеса Деккера (TU Delft) адаптировала эту технику для сканирования одиночного белка по одной аминокислоте за раз.

«За последние 30 лет нанопоровое секвенирование ДНК превратилось из идеи в реально работающее устройство, — объясняет Сес Деккер. — Это даже привело к появлению коммерческих портативных нанопоровых секвенаторов, обслуживающих рынок геномики с оборотом в миллиарды долларов. В нашей статье мы расширяем эту нанопоровую концепцию до считывания отдельных белков. Это может оказать большое влияние на фундаментальные исследования белков и медицинскую диагностику».

Как бусины в сливном отверстии

Новая техника раскрывает характеристики даже отдельных аминокислот в пептиде. Ведущий автор статьи Генри Бринкерхофф, который был пионером этой работы в качестве постдока в лаборатории Деккера, объясняет: «Представьте себе цепочку аминокислот в одной молекуле пептида как ожерелье с бусинами разного размера. Затем представьте, что вы включаете воду, медленно опуская это ожерелье в сливное отверстие, которым в данном случае является нанопора. Если большая бусина блокирует слив, вода, протекающая через него, будет лишь тонкой струйкой; если у вас есть бусины поменьше прямо в сливном отверстии, через него может протекать больше воды. С помощью нашей техники мы можем очень точно измерить количество протекающей воды (на самом деле ионный ток)».

Сес Деккер с энтузиазмом добавляет: «Крутая особенность нашей техники в том, что мы смогли прочитать одну пептидную цепочку снова и снова. Затем мы усредняем все показания с этой одной молекулы и таким образом идентифицируем молекулу практически со 100% точностью».

Это даёт уникальный сигнал, характерный для конкретного белка. Когда исследователи изменили даже одну аминокислоту в пептиде («одну бусину в ожерелье»), они получили совершенно другие сигналы, что указывает на чрезвычайную чувствительность метода. Группа под руководством Алека Аксиментьева в Университете Иллинойса провела молекулярно-динамическое моделирование, которое показало, как сигналы ионного тока связаны с аминокислотами в нанопоре.

Сканирование штрихкода для идентификации

Новая техника очень эффективна для идентификации отдельных белков и картирования мельчайших изменений между ними — подобно тому, как кассир в супермаркете идентифицирует каждый продукт, сканируя его штрихкод. Она также может открыть новый путь к полному de novo секвенированию белков в будущем. Генри Бринкерхофф поясняет: «Наш подход может заложить основу для одно-белкового секвенатора в будущем, но de novo секвенирование остаётся большой проблемой. Для этого нам всё ещё нужно охарактеризовать сигналы от огромного количества пептидов, чтобы создать "карту", связывающую сигналы ионного тока с последовательностью белка. Тем не менее, способность различать замены отдельных аминокислот в отдельных молекулах — это большой шаг вперёд, и у технологии уже сейчас есть множество непосредственных применений».

Взгляд на «тёмную материю» биологии

Используя текущий нанопоровый считыватель пептидов, исследователи могут начать анализировать, какие белки плавают в наших клетках. После синтеза в клетках белки всё ещё претерпевают изменения, влияющие на их функцию, называемые посттрансляционными модификациями. Получающиеся миллионы вариантов белков трудно измерить, и их можно считать «тёмной материей биологии». Сес Деккер отмечает: «Продолжая метафору, после того как ожерелье с бусинами сделано, его всё равно будут изменять: к некоторым красным бусинам присоединят фосфатную группу, к некоторым синим — сахарную группу и т.д. Эти изменения имеют решающее значение для функции белка, а также являются маркером таких заболеваний, как рак. Мы считаем, что наш новый подход позволит нам обнаруживать такие изменения и, таким образом, пролить свет на белки, которые мы носим с собой».