Нанопоры могут идентифицировать аминокислоты в белках — первый шаг к секвенированию

Секвенирование ДНК — полезный инструмент, но оно рассказывает лишь часть истории о процессах в клетке. Секвенирование белков может дать исследователям гораздо более широкое окно в её работу. Новое исследование демонстрирует, что нанопоры можно использовать для идентификации всех 20 аминокислот в белках, что является крупным шагом на пути к секвенированию белков.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Университета Сержи-Понтуаз (Франция) и Фрайбургского университета (Германия) опубликовали результаты в журнале Nature Biotechnology.

«ДНК кодирует множество возможных процессов, но она не показывает конечный продукт — белки, которые выполняют работу в клетке», — пояснил профессор физики Алексеи Аксиментьев, соавтор исследования. «При производстве белка из ДНК происходит множество модификаций: белки сплайсируются, химически модифицируются, сворачиваются и так далее».

Молекула ДНК сама по себе является матрицей для репликации, поэтому создание её копий для секвенирования относительно просто. Для белков такого естественного механизма копирования или считывания не существует. Кроме того, белки состоят из 20 аминокислот (против четырёх оснований в ДНК), и каждая аминокислота может подвергаться многочисленным небольшим модификациям в процессе производства и сворачивания белка.

«Многие аминокислоты очень похожи, — отметил Аксиментьев. — Например, лейцин и изолейцин имеют одинаковые атомы и молекулярную массу, и различаются лишь порядком соединения атомов».

Нанопоры — небольшие белковые каналы, встроенные в мембрану, — популярный инструмент для секвенирования ДНК. Ранее учёные полагали, что различия между аминокислотами слишком малы, чтобы их можно было зарегистрировать с помощью нанопор. Новое исследование показывает обратное.

Исследователи использовали в качестве нанопоры мембранный канал аэролизин, естественным образом производимый бактериями. В компьютерном моделировании и экспериментах они расщепляли белки и использовали химический носитель, чтобы «протянуть» аминокислоты через нанопору. Молекула-носитель также удерживала аминокислоты внутри поры достаточно долго, чтобы зарегистрировать измеримые различия в электрическом сигнале каждой аминокислоты — даже у почти идентичных «близнецов» лейцина и изолейцина.

«Эта работа вселяет уверенность и убеждает сообщество, работающее с нанопорами, что секвенирование белков действительно возможно», — заявил профессор биофизики Абдельгани Ухалед, чья команда провела большую часть экспериментальной работы.

Исследователи обнаружили, что модифицированные формы аминокислот можно дифференцировать ещё лучше, используя более чувствительную измерительную аппаратуру или обрабатывая белок химическим веществом для улучшения различимости сигналов. По словам Аксиментьева, измерения достаточно точны, чтобы потенциально идентифицировать сотни модификаций, а настройка поры может позволить распознать ещё больше.

«Это исследование — доказательство концепции, показывающее, что мы можем идентифицировать различные аминокислоты, — сказал он. — Текущий стандартный метод характеристики белков — масс-спектрометрия — не определяет последовательность, а сравнивает образец с тем, что уже есть в базе данных. Его способность характеризовать новые вариации или мутации ограничена. С помощью нанопор мы, наконец, сможем изучить те модификации, которые ещё не исследованы».

Нанопора аэролизина может быть интегрирована в стандартные установки для нанопор, сделав технологию доступной для других учёных. Сейчас исследователи изучают подходы для считывания аминокислот в последовательном порядке по мере их отщепления от белка. Они также рассматривают другие применения системы.

«Одно из потенциальных применений — комбинирование этого метода с иммуноанализами для "вылавливания" интересующих белков с последующим их секвенированием. Это покажет, модифицированы они или нет, и может привести к созданию клинического диагностического инструмента», — сказал Аксиментьев.

«Эта работа показывает, что для характеристики биологических молекул практически нет предела точности. Вполне вероятно, что однажды мы сможем рассказать о молекулярном составе клетки — из чего мы состоим, вплоть до уровня отдельных атомов».