日前，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)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(cè)序技術(shù)和其在單分子蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用。盡管納米孔DNA測(cè)序已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但蛋白質(zhì)測(cè)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(cè)序技術(shù)，并且將多篇基于齊碳納米孔基因測(cè)序平臺(tái)開(kāi)展研究所發(fā)布的科研成果列入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)。這充分說(shuō)明，作為國(guó)產(chǎn)納米孔測(cè)序技術(shù)開(kāi)拓者與領(lǐng)跑者，齊碳科技憑借其多年技術(shù)積累以及廣泛的應(yīng)用探索，成功躋身納米孔基因測(cè)序這一高精尖領(lǐng)域的全球視野，獲得越來(lái)越廣泛的關(guān)注。
 
1、納米孔蛋白質(zhì)測(cè)序的挑戰(zhàn)
蛋白質(zhì)是一種極其復(fù)雜的生物大分子，其核心組成是肽鏈。然而，在真實(shí)世界中，這些肽鏈并非簡(jiǎn)單地線(xiàn)性排列，而是以一種復(fù)雜的方式相互纏繞、折疊，形成多種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。由于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)分子往往無(wú)法直接通過(guò)納米孔進(jìn)行測(cè)序。
文章中指出，納米孔測(cè)序面臨諸多挑戰(zhàn)，首先，蛋白質(zhì)測(cè)序在分析上更為復(fù)雜，需要區(qū)分20個(gè)典型氨基酸以及數(shù)百個(gè)非蛋白質(zhì)氨基酸，包括許多翻譯后修飾，而DNA測(cè)序通常只讀取4個(gè)堿基。此外，蛋白質(zhì)的復(fù)雜折疊阻礙了多肽鏈通過(guò)納米孔。另一個(gè)問(wèn)題是缺乏類(lèi)似于核酸聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）的蛋白質(zhì)擴(kuò)增方法。最后，蛋白質(zhì)拷貝數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍可以從每個(gè)細(xì)胞1到107個(gè)拷貝，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DNA。

2、多肽穿越納米孔
作者在文章中指出，利用納米孔進(jìn)行核酸測(cè)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(shù)缺少便攜性且速度較慢，所以納米孔測(cè)序技術(shù)也亟需探索新未來(lái)——多肽測(cè)序。
多肽穿過(guò)納米孔可以通過(guò)電泳和分子馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)電滲透，非常高的電壓可驅(qū)動(dòng)一些高電荷蛋白質(zhì)的展開(kāi)�；蛘�，可用帶電的變性劑包裹蛋白，還可以將帶負(fù)電荷的寡核苷酸偶聯(lián)到單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)上來(lái)展開(kāi)。
比如對(duì)納米孔蛋白進(jìn)行改造，可進(jìn)行蛋白質(zhì)展開(kāi)和酶切（圖a）。這個(gè)納米孔傳感器由解折疊酶和蛋白酶體組成，不能提供單個(gè)氨基酸的完全分辨率，但可以用于指紋識(shí)別蛋白質(zhì)。
 
其中最為成熟的一種測(cè)序方式是，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的有效操控，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種策略，即利用多肽將一段特定的DNA片段進(jìn)行連接。通過(guò)引入馬達(dá)蛋白作為控制機(jī)制，科學(xué)家們能夠精確調(diào)節(jié)多肽分子通過(guò)納米孔的速度。這種控制過(guò)程產(chǎn)生了較為清晰的電信號(hào)，進(jìn)而使得科學(xué)家能夠基于這些信號(hào)進(jìn)行精確的識(shí)別操作。
 
齊碳科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學(xué)家白凈衛(wèi)博士及其研究團(tuán)隊(duì)，基于現(xiàn)有的納米孔基因測(cè)序平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)從基因測(cè)序至多肽直接測(cè)序（DNA連接肽鏈法）的突破性進(jìn)展，獲得多達(dá)17個(gè)氨基酸(aa)讀取長(zhǎng)度的階段性研究成果，相關(guān)內(nèi)容已于2021年發(fā)表在國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域期刊《Chemical Science》，我國(guó)納米孔多肽測(cè)序技術(shù)研究探索向前邁進(jìn)重要一步。（點(diǎn)擊查看文章解析）
最近幾年，我國(guó)納米孔多肽測(cè)序技術(shù)發(fā)展更是進(jìn)入快車(chē)道，多篇具有深遠(yuǎn)學(xué)術(shù)影響的論文見(jiàn)刊于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊（見(jiàn)參考文獻(xiàn)），這無(wú)疑將推動(dòng)我國(guó)乃至全球納米孔多肽測(cè)序技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多的創(chuàng)新和突破。
值得一提的是，論文中提到，科學(xué)家們依據(jù)蛋白質(zhì)的特性和測(cè)序需求，開(kāi)發(fā)出了多種不同的方法和技術(shù)，這些方法和技術(shù)共同構(gòu)成了納米孔蛋白測(cè)序領(lǐng)域內(nèi)的多個(gè)流派。這些流派各自具有其獨(dú)特的原理、操作方式和適用場(chǎng)景，共同推動(dòng)了納米孔蛋白測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3、技術(shù)展望
總體而言，納米孔測(cè)序技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，可有效推動(dòng)生物發(fā)現(xiàn)、臨床診斷和國(guó)家基因安全保障等領(lǐng)域的發(fā)展。未來(lái)，齊碳科技將始終扮演新一代基因測(cè)序技術(shù)的開(kāi)拓者與引領(lǐng)者，繼續(xù)向納米孔測(cè)序科研無(wú)人區(qū)挺進(jìn)，持續(xù)提升國(guó)產(chǎn)測(cè)序儀性能，承擔(dān)起國(guó)家基因測(cè)序前沿科技研發(fā)重任，并與政、產(chǎn)、學(xué)、研、醫(yī)等相關(guān)各方緊密協(xié)作，為推動(dòng)我國(guó)生命健康領(lǐng)域的快速發(fā)展貢獻(xiàn)硬核科技力量。
 
參考文獻(xiàn)
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