納米孔DNA測序技術和其在單分子蛋白質組學中的應用
日前，英國倫敦大學學院 (University College London) Adam Dorey & Stefan Howorka在Nature Chemistry上發(fā)表了一篇題為《Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics》的綜述文章，討論了納米孔DNA測序技術和其在單分子蛋白質組學中的應用。盡管納米孔DNA測序已經(jīng)取得了顯著的進步，但蛋白質測序仍然更具挑戰(zhàn)性。
文章中，作者提及齊碳科技所自主研發(fā)的納米孔測序技術，并且將多篇基于齊碳納米孔基因測序平臺開展研究所發(fā)布的科研成果列入?yún)⒖嘉墨I。這充分說明，作為國產(chǎn)納米孔測序技術開拓者與領跑者，齊碳科技憑借其多年技術積累以及廣泛的應用探索，成功躋身納米孔基因測序這一高精尖領域的全球視野，獲得越來越廣泛的關注。
1、納米孔蛋白質測序的挑戰(zhàn)
蛋白質是一種極其復雜的生物大分子，其核心組成是肽鏈。然而，在真實世界中，這些肽鏈并非簡單地線性排列，而是以一種復雜的方式相互纏繞、折疊，形成多種復雜的三維結構。由于這種復雜的結構，蛋白質分子往往無法直接通過納米孔進行測序。
文章中指出，納米孔測序面臨諸多挑戰(zhàn)，首先，蛋白質測序在分析上更為復雜，需要區(qū)分20個典型氨基酸以及數(shù)百個非蛋白質氨基酸，包括許多翻譯后修飾，而DNA測序通常只讀取4個堿基。此外，蛋白質的復雜折疊阻礙了多肽鏈通過納米孔。另一個問題是缺乏類似于核酸聚合酶鏈反應（PCR）的蛋白質擴增方法。最后，蛋白質拷貝數(shù)的動態(tài)范圍可以從每個細胞1到107個拷貝，遠遠高于DNA。
蛋白的納米孔測序
（圖片來源：Nature Chemistry）
2、多肽穿越納米孔
作者在文章中指出，利用納米孔進行核酸測序，已經(jīng)成為一種快速、高精度、低成本的有力工具，然而，由于目前的技術缺少便攜性且速度較慢，所以納米孔測序技術也亟需探索新未來——多肽測序。
多肽穿過納米孔可以通過電泳和分子馬達來實現(xiàn)，也可以通過電滲透，非常高的電壓可驅動一些高電荷蛋白質的展開�；蛘撸捎脦щ姷淖冃詣┌鞍�，還可以將帶負電荷的寡核苷酸偶聯(lián)到單結構域蛋白質上來展開。
比如對納米孔蛋白進行改造，可進行蛋白質展開和酶切（圖a）。這個納米孔傳感器由解折疊酶和蛋白酶體組成，不能提供單個氨基酸的完全分辨率，但可以用于指紋識別蛋白質。
其中最為成熟的一種測序方式是，為了實現(xiàn)對DNA的有效操控，科學家們設計了一種策略，即利用多肽將一段特定的DNA片段進行連接。通過引入馬達蛋白作為控制機制，科學家們能夠精確調節(jié)多肽分子通過納米孔的速度。這種控制過程產(chǎn)生了較為清晰的電信號，進而使得科學家能夠基于這些信號進行精確的識別操作。
齊碳科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學家白凈衛(wèi)博士及其研究團隊，基于現(xiàn)有的納米孔基因測序平臺成功實現(xiàn)從基因測序至多肽直接測序（DNA連接肽鏈法）的突破性進展，獲得多達17個氨基酸(aa)讀取長度的階段性研究成果，相關內容已于2021年發(fā)表在國際化學領域期刊《Chemical Science》，我國納米孔多肽測序技術研究探索向前邁進重要一步。（點擊查看文章解析）
最近幾年，我國納米孔多肽測序技術發(fā)展更是進入快車道，多篇具有深遠學術影響的論文見刊于國際知名學術期刊（見參考文獻），這無疑將推動我國乃至全球納米孔多肽測序技術的進一步發(fā)展，為生命科學領域帶來更多的創(chuàng)新和突破。
值得一提的是，論文中提到，科學家們依據(jù)蛋白質的特性和測序需求，開發(fā)出了多種不同的方法和技術，這些方法和技術共同構成了納米孔蛋白測序領域內的多個流派。這些流派各自具有其獨特的原理、操作方式和適用場景，共同推動了納米孔蛋白測序技術的發(fā)展和應用。
3、技術展望
總體而言，納米孔測序技術在生物學、醫(yī)學等領域有著廣闊的應用前景，可有效推動生物發(fā)現(xiàn)、臨床診斷和國家基因安全保障等領域的發(fā)展。未來，齊碳科技將始終扮演新一代基因測序技術的開拓者與引領者，繼續(xù)向納米孔測序科研無人區(qū)挺進，持續(xù)提升國產(chǎn)測序儀性能，承擔起國家基因測序前沿科技研發(fā)重任，并與政、產(chǎn)、學、研、醫(yī)等相關各方緊密協(xié)作，為推動我國生命健康領域的快速發(fā)展貢獻硬核科技力量。
參考文獻
Dorey, A., Howorka, S. Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics. Nat. Chem. 16, 314–334 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01322-x
Chen, Zhijie et al. “Controlled movement of ssDNA conjugated peptide through Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) nanopore by a helicase motor for peptide sequencing application.” Chemical science vol. 12,47 15750-15756. 12 Nov. 2021, doi:10.1039/d1sc04342k
Wang, K., Zhang, S., Zhou, X. et al. Unambiguous discrimination of all 20 proteinogenic amino acids and their modifications by nanopore. Nat Methods 21, 92–101 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02021-8
Zhang, Y., Yi, Y., Li, Z. et al. Peptide sequencing based on host–guest interaction-assisted nanopore sensing. Nat Methods 21, 102–109 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02095-4
Zhang, M., Tang, C., Wang, Z. et al. Real-time detection of 20 amino acids and discrimination of pathologically relevant peptides with functionalized nanopore. Nat Methods 21, 609–618 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02208-7
文章中，作者提及齊碳科技所自主研發(fā)的納米孔測序技術，并且將多篇基于齊碳納米孔基因測序平臺開展研究所發(fā)布的科研成果列入?yún)⒖嘉墨I。這充分說明，作為國產(chǎn)納米孔測序技術開拓者與領跑者，齊碳科技憑借其多年技術積累以及廣泛的應用探索，成功躋身納米孔基因測序這一高精尖領域的全球視野，獲得越來越廣泛的關注。
1、納米孔蛋白質測序的挑戰(zhàn)
蛋白質是一種極其復雜的生物大分子，其核心組成是肽鏈。然而，在真實世界中，這些肽鏈并非簡單地線性排列，而是以一種復雜的方式相互纏繞、折疊，形成多種復雜的三維結構。由于這種復雜的結構，蛋白質分子往往無法直接通過納米孔進行測序。
文章中指出，納米孔測序面臨諸多挑戰(zhàn)，首先，蛋白質測序在分析上更為復雜，需要區(qū)分20個典型氨基酸以及數(shù)百個非蛋白質氨基酸，包括許多翻譯后修飾，而DNA測序通常只讀取4個堿基。此外，蛋白質的復雜折疊阻礙了多肽鏈通過納米孔。另一個問題是缺乏類似于核酸聚合酶鏈反應（PCR）的蛋白質擴增方法。最后，蛋白質拷貝數(shù)的動態(tài)范圍可以從每個細胞1到107個拷貝，遠遠高于DNA。
蛋白的納米孔測序
（圖片來源：Nature Chemistry）
2、多肽穿越納米孔
作者在文章中指出，利用納米孔進行核酸測序，已經(jīng)成為一種快速、高精度、低成本的有力工具，然而，由于目前的技術缺少便攜性且速度較慢，所以納米孔測序技術也亟需探索新未來——多肽測序。
多肽穿過納米孔可以通過電泳和分子馬達來實現(xiàn)，也可以通過電滲透，非常高的電壓可驅動一些高電荷蛋白質的展開�；蛘撸捎脦щ姷淖冃詣┌鞍�，還可以將帶負電荷的寡核苷酸偶聯(lián)到單結構域蛋白質上來展開。
比如對納米孔蛋白進行改造，可進行蛋白質展開和酶切（圖a）。這個納米孔傳感器由解折疊酶和蛋白酶體組成，不能提供單個氨基酸的完全分辨率，但可以用于指紋識別蛋白質。
蛋白酶結合的納米孔
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
其中最為成熟的一種測序方式是，為了實現(xiàn)對DNA的有效操控，科學家們設計了一種策略，即利用多肽將一段特定的DNA片段進行連接。通過引入馬達蛋白作為控制機制，科學家們能夠精確調節(jié)多肽分子通過納米孔的速度。這種控制過程產(chǎn)生了較為清晰的電信號，進而使得科學家能夠基于這些信號進行精確的識別操作。
DNA連接肽鏈過孔
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
齊碳科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學家白凈衛(wèi)博士及其研究團隊，基于現(xiàn)有的納米孔基因測序平臺成功實現(xiàn)從基因測序至多肽直接測序（DNA連接肽鏈法）的突破性進展，獲得多達17個氨基酸(aa)讀取長度的階段性研究成果，相關內容已于2021年發(fā)表在國際化學領域期刊《Chemical Science》，我國納米孔多肽測序技術研究探索向前邁進重要一步。（點擊查看文章解析）
最近幾年，我國納米孔多肽測序技術發(fā)展更是進入快車道，多篇具有深遠學術影響的論文見刊于國際知名學術期刊（見參考文獻），這無疑將推動我國乃至全球納米孔多肽測序技術的進一步發(fā)展，為生命科學領域帶來更多的創(chuàng)新和突破。
值得一提的是，論文中提到，科學家們依據(jù)蛋白質的特性和測序需求，開發(fā)出了多種不同的方法和技術，這些方法和技術共同構成了納米孔蛋白測序領域內的多個流派。這些流派各自具有其獨特的原理、操作方式和適用場景，共同推動了納米孔蛋白測序技術的發(fā)展和應用。
基于納米孔的的蛋白質指紋圖譜和測序技術
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
3、技術展望
總體而言，納米孔測序技術在生物學、醫(yī)學等領域有著廣闊的應用前景，可有效推動生物發(fā)現(xiàn)、臨床診斷和國家基因安全保障等領域的發(fā)展。未來，齊碳科技將始終扮演新一代基因測序技術的開拓者與引領者，繼續(xù)向納米孔測序科研無人區(qū)挺進，持續(xù)提升國產(chǎn)測序儀性能，承擔起國家基因測序前沿科技研發(fā)重任，并與政、產(chǎn)、學、研、醫(yī)等相關各方緊密協(xié)作，為推動我國生命健康領域的快速發(fā)展貢獻硬核科技力量。
參考文獻
Dorey, A., Howorka, S. Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics. Nat. Chem. 16, 314–334 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01322-x
Chen, Zhijie et al. “Controlled movement of ssDNA conjugated peptide through Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) nanopore by a helicase motor for peptide sequencing application.” Chemical science vol. 12,47 15750-15756. 12 Nov. 2021, doi:10.1039/d1sc04342k
Wang, K., Zhang, S., Zhou, X. et al. Unambiguous discrimination of all 20 proteinogenic amino acids and their modifications by nanopore. Nat Methods 21, 92–101 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02021-8
Zhang, Y., Yi, Y., Li, Z. et al. Peptide sequencing based on host–guest interaction-assisted nanopore sensing. Nat Methods 21, 102–109 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02095-4
Zhang, M., Tang, C., Wang, Z. et al. Real-time detection of 20 amino acids and discrimination of pathologically relevant peptides with functionalized nanopore. Nat Methods 21, 609–618 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02208-7
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com