文獻速遞|Blue Pippin全自動DNA脈沖場電泳回收儀用于單分子蛋白組學識別技術開發
 

 

【Nature Nanotechnology】Single-molecule mechanical fingerprinting with DNA nanoswitch calipers
借助DNA納米開關卡尺繪制單分子蛋白組學的機制“指紋”

 

從微量或痕量樣本中鑒定生物分子是生物技術領域的一個長期目標。近些年，測序技術的迅速發展大大促進了DNA分析對基礎研究和臨床實踐的推動。在蛋白質層面，其結構、功能相對復雜及無法實現體外擴增，盡管質譜法和質譜流式細胞技術等方法取得了一定進展，但是單分子蛋白質鑒定仍然面臨挑戰 。為此，來自哈佛大學威斯研究所（Wyss Institute at Harvard University）、哈佛醫學院布拉瓦特尼克研究所（Blavatnik Institute at Harvard Medical School）和波士頓兒童醫院（Boston Children 's Hospital）的科研人員，將DNA納米技術與單分子力譜相結合，構建了一種DNA納米開關卡尺（DNA Nanoswitch Caliper ，DNC），能夠以原子分辨率測量單分子蛋白上的多個坐標�；�于光鑷技術，可以進行DNA和肽的絕對距離測量，精度可達埃米級。同時使用多重磁鑷子，進行混合蛋白樣本中相對豐度的量化檢測。研究小組通過測量DNA標記殘基之間的距離，對合成肽和天然肽進行了單分子指紋分析，并在異質群體中發現了不同蛋白修飾之間的區別。DNA納米開關卡尺是一種功能強大且易于使用的工具，將在單分子蛋白質組學等領域實現新的應用。
 

圖1. DNA納米開關卡尺（DNC）繪制單分子指紋圖譜示意圖

DNA納米開關卡尺（DNC）衍生于DNA納米開關技術，其本質是一條DNA單鏈。在DNA單鏈上存在多個分子 “手柄”。當這些手柄中的兩個相互結合時，會在DNA單鏈中形成閉環，且鏈的總長度縮短。當施加力量將手柄拉開時，DNA單鏈就會延伸恢復其原來的長度。鏈在開環和閉環狀態下的長度差異反映了環的大小，進而反映了手柄之間的距離（圖1）。在此基礎上，通過將手柄設計成可以與生物大分子結合的單鏈，進而將該技術推進至生物大分子檢測。手柄可以有效地將分子“夾在”中間，類似游標卡尺，通過測量DNA納米開關在開環和閉環狀態下的總長度差異，有效地測量生物大分子的大小，形成獨特的分子指紋。

其中，DNA納米開關卡尺是通過連接兩個修飾的DNA構建體而產生的（圖2）。一種DNA構建體由pET-26b（+）質粒的2820bp區域PCR擴增制備，另一種由環狀寡核苷酸、5’-地高辛修飾的寡核苷酸（DNC1）和其他鏈（DNC2和DNC3），進行退火制備。在構建完成后，使用Blue Pippin全自動DNA電泳回收儀進行目標片段（約3kb）的精準回收，獲得單一目標DNA納米開關卡尺（DNC），無雜帶，確保后續DNC指紋功能的正常發揮。

圖2. DNA納米開關卡尺（DNC）構建流程圖

文中首先在單鏈DNA（ssDNA）分子上測試了DNC技術，證實DNC的開環和閉環狀態之間的距離變化與目標分子的長度直接相關。這些長度變化可以用埃米級精度（比DNA雙螺旋的寬度小10倍）來測量，從而能夠識別小到一個核苷酸的長度變化。繼而將研究重點轉移到蛋白質上，通過已知序列的合成肽，發現手柄之間的距離都與肽中氨基酸長度的預期距離相匹配。同時檢測一種名稱為NOXA BH3的天然線性化肽時，也得到了類似的結果。更進一步研究表明，通過用一個磁鑷子系統取代光學珠，能夠對多個不同的肽進行平行測量，并確定不同分子的相對濃度。DNC提供了一種強大的方法用于表征納米級復合物中的距離和幾何形狀，對蛋白質組學、納米技術、結構生物學和藥物發現等多個領域有很大的應用潛力。

原文
Shrestha, Prakash, et al. "Single-molecule mechanical fingerprinting with DNA nanoswitch calipers." Nature nanotechnology 16.12 (2021): 1362-1370.

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