Измерение белков с помощью силы открывает новый путь в одномолекулярной протеомике
Ученые из Molecular Robotics Initiative в Институте Висса при Гарвардском университете, Института Блаватника Гарвардской медицинской школы (HMS) и Бостонской детской больницы (BCH) создали технологию «Калибры на основе ДНК-нановыключателей» (DNA Nanoswitch Calipers, DNC). Она позволяет измерять расстояния внутри отдельных пептидов (строительных блоков белков) с высокой точностью, применяя небольшие усилия.
Принцип работы: использование силы
Технология основана на ДНК-нановыключателе — одноцепочечной молекуле ДНК с молекулярными «ручками». В новой системе эти ручки предназначены для связывания не друг с другом, а с целевой биомолекулой, «зажимая» ее, как концы штангенциркуля.
Процесс измерения:
- К целевой молекуле крепятся «ручки»: одна прочная (для жесткого закрепления) и несколько слабых.
- Оба конца ДНК-нановыключателя прикрепляются к двум оптически удерживаемым шарикам в лазерных лучах.
- Сближая шарики, индуцируют связывание одной из слабых ручек с ДНК, переводя систему в свернутое состояние.
- Увеличивая силу (раздвигая шарики), разрывают эту связь, возвращая систему в развернутое состояние.
- Измеряют разницу в длине между двумя состояниями, которая отражает расстояние между ручками на целевой молекуле.
Точность измерений достигает ангстремного уровня (в 10 раз меньше ширины двойной спирали ДНК), что позволяет детектировать изменения, сопоставимые с размером одного нуклеотида.
Создание «отпечатка пальца» белка
Повторяющиеся циклы связывания и разрыва нескольких слабых ручек на одной молекуле генерируют серию уникальных расстояний между прочной и слабыми ручками. Эта совокупность измерений образует «отпечаток пальца» (fingerprint), который можно использовать для идентификации молекулы.
Результаты экспериментов
- Тест на ДНК: Метод подтвердил способность точно измерять длину одноцепочечных молекул ДНК (ssDNA).
- Тест на пептидах: Технология успешно измерила синтетический пептид с известной последовательностью и природный линейный пептид NOXA BH3. Все измеренные расстояния соответствовали ожидаемым на основе длины аминокислот.
- Потенциал для протеомики: Компьютерное моделирование показало, что с вероятностью не менее 90% можно идентифицировать более 75% белков из стандартной базы данных, используя такие «отпечатки».
- Мультиплексирование: Замена оптических ловушек на магнитные щипцы позволила проводить параллельные измерения нескольких разных пептидов и определять их относительные концентрации в смеси.
Значение и перспективы
Исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, представляет новую парадигму для одномолекулярной протеомики. По словам ученых, силовая фиксация последовательности (force-based sequence fingerprinting) имеет потенциал сделать секвенирование белков таким же доступным, как сегодня секвенирование ДНК.
Следующие шаги:
- Валидация метода для измерения структуры свернутых белков и их комплексов при низких силах.
- Повышение пропускной способности технологии для ускорения анализа смешанных образцов.
- Дальнейшая работа в направлении высокопроизводительного считывания не только последовательностей, но и структур белков.