近日，四川大學華西醫(yī)院生物治療全國重點實驗室耿佳教授團隊與華西第二醫(yī)院/生物治療全國重點實驗室陳路教授團隊合作，在《自然—方法》發(fā)表了研究論文。文中闡明了納米孔單分子檢測新策略，實現(xiàn)了對全部20種天然氨基酸的直接區(qū)分，提出并驗證了納米孔外切酶實時多肽測序（Nanopore Exopeptidase Real-timePeptide Sequencing, NEPS）方法，為實現(xiàn)單分子蛋白質(zhì)測序提供了可行途徑，展示出生物傳感器技術(shù)與人工智能算法結(jié)合的優(yōu)異潛力。

每個人體內(nèi)都有超過百萬種蛋白質(zhì)，與水、脂肪和無機物等共同構(gòu)成生物體。蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者，例如胰島素和胰高血糖素控制血糖高低，視紫質(zhì)能夠感應光子，對于正常視覺功能必不可少。許多疾病的發(fā)生與蛋白質(zhì)的異常直接相關(guān)，例如缺乏凝血因子會引起血友病，異常淀粉樣蛋白斑可損害神經(jīng)元，是阿爾茨海默病的潛在誘因。破譯蛋白質(zhì)信息是探索生命現(xiàn)象、促進人類健康的關(guān)鍵一環(huán)。

蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，其復雜程度遠超僅由4種核苷酸組成的核糖核酸或者脫氧核糖核酸，因此對蛋白質(zhì)進行測序的難度堪稱破譯“生命天書”。當前蛋白質(zhì)測序的金標準是質(zhì)譜測序法，但窄檢測動態(tài)范圍、短讀長、復雜操作、昂貴價格等局限仍亟需突破。因此探索快速、實時、準確、便捷的蛋白質(zhì)測序新技術(shù)是當前全球生物技術(shù)與醫(yī)藥領域共同關(guān)注的焦點與熱門領域。

單分子技術(shù)可在單個分子靈敏度水平實時提供待檢測物信息。近年來單分子蛋白質(zhì)測序領域進展不斷涌現(xiàn)，利用納米孔技術(shù)已可直接區(qū)分20種氨基酸，但基于實時監(jiān)測單個氨基酸分子的多肽水解測序仍待探索。

據(jù)了解，該團隊開發(fā)的NEPS技術(shù)首先通過在恥垢分枝桿菌孔蛋白A的孔道最窄處構(gòu)建銅離子結(jié)合位點，使得氨基酸可與銅離子-納米孔蛋白復合物結(jié)合，從而產(chǎn)生特異性電流信號。不同氨基酸的電流信號可被機器學習算法準確區(qū)分。

該方法實現(xiàn)了全部20種天然氨基酸的高靈敏度、無修飾直接檢測，且可拓展用于翻譯后修飾氨基酸和非天然氨基酸的傳感。進一步，結(jié)合多肽外切酶，實時監(jiān)測多肽水解反應。水解產(chǎn)生的單氨基酸信號豐度大小與氨基酸在多肽序列中的位置信息有顯著相關(guān)性，可用于推測多肽序列。同時，NEPS技術(shù)還被驗證可識別和區(qū)分與腫瘤和阿茲海默癥等疾病相關(guān)的10種多肽。

NEPS技術(shù)為最終破譯“生命天書”、更精準的疾病診斷和治療、更快的藥物開發(fā)提供有力工具，同時代表我國生物傳感技術(shù)與蛋白組學工具的原始創(chuàng)新能力進入全球前沿方陣。

四川大學研究生張明、博士后唐超、研究生王紫純和陳山川為該論文共同第一作者，耿佳、陳路為本文共同通訊作者。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41592-024-02208-7

來源：《自然—方法》