محققان دانشگاه TU Delft و دانشگاه ایلینویز با استفاده از فناوری توالی‌یابی DNA نانوحفره موفق به اسکن یک پروتئین شده‌اند: با حرکت آهسته یک پروتئین خطی شده از طریق یک نانوحفره کوچک، یک اسید آمینه در آن زمان، محققان توانستند جریان‌های الکتریکی را بخوانند. که به محتوای اطلاعاتی پروتئین مربوط می شود. محققان اثبات مفهوم خود را در این مقاله منتشر کردند علوم پایه امروز. پپتید خوان تک مولکولی جدید پیشرفتی را در شناسایی پروتئین نشان می دهد و راه را برای توالی یابی پروتئین تک مولکولی و فهرست بندی پروتئین ها در داخل یک سلول باز می کند.
پروتئین ها اسب های کار سلول های ما هستند، اما ما به سادگی نمی دانیم که همه ما چه پروتئین هایی را با خود حمل می کنیم. پروتئین یک رشته پپتیدی طولانی است که از 20 نوع اسید آمینه مختلف ساخته شده است که با یک گردنبند با انواع مختلف مهره ها قابل مقایسه است. از روی نقشه DNA، ما می توانیم پیش بینی کنیم که یک پروتئین از کدام اسیدهای آمینه تشکیل شده است. با این حال، پروتئین نهایی می تواند تا حد زیادی با طرح اولیه متفاوت باشد، برای مثال به دلیل تغییرات پس از ترجمه. روش‌های فعلی برای اندازه‌گیری پروتئین‌ها گران هستند، محدود به حجم زیاد هستند و نمی‌توانند بسیاری از پروتئین‌های کمیاب را شناسایی کنند. با فناوری مبتنی بر نانو منافذ، می‌توان مولکول‌های تک DNA را اسکن و توالی‌یابی کرد. تیم به رهبری Cees Dekker (TU Delft) اکنون این تکنیک را برای اسکن یک پروتئین واحد، یک اسید آمینه در یک زمان، اقتباس کرده است.
سیس دکر توضیح می دهد: «طی 30 سال گذشته، توالی یابی DNA مبتنی بر نانوحفره از یک ایده به یک دستگاه واقعی تبدیل شده است. “این حتی منجر به توالی‌سنجی‌های تجاری دستی نانوحفره‌ای شده است که به بازار ژنومیک میلیارد دلاری خدمت می‌کنند. در مقاله خود، ما در حال گسترش این مفهوم نانوحفره‌ای به خواندن تک‌ها هستیم. پروتئین ها. این ممکن است تأثیر زیادی بر تحقیقات اولیه پروتئین و تشخیص پزشکی داشته باشد.”
مثل مهره ها در زهکش
تکنیک جدید ویژگی های حتی یک اسید آمینه را در یک پپتید نشان می دهد، اما چگونه؟ نویسنده اصلی مقاله هنری برینکرهوف، که پیشگام این کار به عنوان یک دکترای فوق دکتر در آزمایشگاه دکر بود، توضیح می دهد: “رشته اسیدهای آمینه در یک مولکول پپتیدی را به عنوان یک گردنبند با مهره هایی با اندازه های مختلف تصور کنید. سپس تصور کنید که شیر آب را باز می کنید. شما به آرامی گردنبند را به سمت پایین زهکشی حرکت می‌دهید، که در این مورد نانو منافذ است. اگر یک مهره بزرگ مانع زهکشی شود، آبی که از آن عبور می‌کند فقط یک قطره خواهد بود؛ اگر مهره‌های کوچک‌تری در گردنبند درست در محل تخلیه داشته باشید، بیشتر آب می تواند از آن عبور کند. با تکنیک ما می توانیم مقدار جریان آب (جریان یونی در واقع) را بسیار دقیق اندازه گیری کنیم.” Cees Dekker مشتاقانه می‌افزاید: «یک ویژگی جالب تکنیک ما این است که توانستیم یک رشته پپتیدی را بارها و بارها بخوانیم: سپس تمام خوانده‌های آن یک مولکول واحد را میانگین‌گیری می‌کنیم و بنابراین مولکول را با دقت 100 درصد شناسایی می‌کنیم. “
این منجر به یک بازخوانی منحصر به فرد می شود که مشخصه یک پروتئین خاص است. هنگامی که محققان حتی یک اسید آمینه منفرد را در پپتید تغییر دادند (“یک مهره در گردنبند”)، سیگنال های بسیار متفاوتی به دست آوردند که نشان دهنده حساسیت فوق العاده این تکنیک است. گروهی به رهبری آلک آکسیمنتیف در دانشگاه ایلینویز شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی را انجام دادند که نشان داد سیگنال‌های جریان یونی چگونه با اسیدهای آمینه موجود در نانوحفره ارتباط دارند.
اسکن بارکد برای شناسایی
این تکنیک جدید برای شناسایی تک پروتئین ها و ترسیم تغییرات دقیقه ای بین آنها بسیار قدرتمند است – دقیقاً مانند اینکه چگونه یک صندوقدار در سوپرمارکت هر محصول را با اسکن بارکد آن شناسایی می کند. همچنین ممکن است مسیر جدیدی به سمت کامل فراهم کند از نو تعیین توالی پروتئین در آینده هنری برینکرهوف توضیح می‌دهد: «رویکرد ما ممکن است پایه‌ای برای یک توالی‌سنجی تک پروتئینی در آینده باشد، اما از نو توالی یک چالش بزرگ باقی می ماند. برای این کار، ما هنوز باید سیگنال‌های تعداد زیادی پپتید را مشخص کنیم تا بتوانیم «نقشه» سیگنال‌های جریان یونی را به توالی پروتئین متصل کنیم. با این حال، توانایی تشخیص جایگزینی اسید آمینه تک در مولکول‌های منفرد یک پیشرفت بزرگ است و کاربردهای فوری بسیاری برای این فناوری در حال حاضر وجود دارد.
نگاهی اجمالی به “ماده تاریک” زیست شناسی
با استفاده از پپتید خوان فعلی نانوحفره، محققان می توانند شروع به تجزیه و تحلیل پروتئین های شناور در سلول های ما کنند. پس از سنتز در سلول‌ها، پروتئین‌ها همچنان دستخوش تغییراتی می‌شوند که بر عملکرد آنها تأثیر می‌گذارد که به آن تغییرات پس از ترجمه می‌گویند. اندازه گیری میلیون ها نوع پروتئین حاصل دشوار است و می توان آن را “ماده تاریک زیست شناسی” در نظر گرفت. Cees Dekker: “برای ادامه استعاره: پس از ساخته شدن یک گردنبند با مهره هایش، همچنان تغییر خواهد کرد: برخی از مهره های قرمز فسفوریل به آن متصل می شوند، برخی از دانه های آبی یک گروه قند و غیره. این تغییرات برای عملکرد پروتئین بسیار مهم است. و همچنین نشانگری برای بیماری هایی مانند سرطان. ما فکر می کنیم که رویکرد جدید ما به ما این امکان را می دهد که چنین تغییراتی را تشخیص دهیم و در نتیجه نوری را بر پروتئین هایی که با خود حمل می کنیم بتابانیم.”
منبع داستان:
مواد ارائه شده توسط دانشگاه صنعتی دلفت. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.