華盛頓大學(xué)和微軟的研究人員推出了一類新的報(bào)告蛋白，可以通過(guò)市售的納米孔傳感設(shè)備直接讀取。在這里，威斯康星大學(xué)的博士生 Nicolas Cardozo 在威斯康星大學(xué)研究助理教授 Jeff Nivala 的注視下，將含有 NanoporeTER 的溶液移液到便攜式 MinION 設(shè)備上。圖片來(lái)源：Dennis Wise/華盛頓大學(xué)

基因編碼的報(bào)告蛋白一直是生物技術(shù)研究的支柱，使科學(xué)家能夠跟蹤基因表達(dá)、了解細(xì)胞內(nèi)過(guò)程并調(diào)試工程基因電路。

但依賴熒光和其他光學(xué)方法的傳統(tǒng)報(bào)告方案存在實(shí)際局限性，可能會(huì)給該領(lǐng)域的未來(lái)進(jìn)展蒙上陰影?，F(xiàn)在，華盛頓大學(xué)和微軟的研究人員已經(jīng)為這些復(fù)雜的生物系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的事情創(chuàng)建了一個(gè)“納米孔”，讓科學(xué)家們能夠以全新的視角看待報(bào)告蛋白。

該團(tuán)隊(duì)引入了一類新的報(bào)告蛋白，可以通過(guò)市售的納米孔傳感裝置直接讀取。新系統(tǒng)——被稱為“Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters”或“NanoporeTERs”——可以檢測(cè)細(xì)菌和人類細(xì)胞培養(yǎng)物中的多種蛋白質(zhì)表達(dá)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有技術(shù)的能力。

該研究于 2021 年 8 月 12 日發(fā)表在Nature Biotechnology 上。

華盛頓大學(xué)和微軟的研究人員推出了一類新的報(bào)告蛋白，可以通過(guò)市售的納米孔傳感設(shè)備直接讀取。來(lái)自 MinION 設(shè)備的原始納米孔信號(hào)流，其中包含數(shù)百個(gè)納米孔傳感器陣列。每種顏色代表來(lái)自單個(gè)納米孔的數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)將這些信號(hào)解釋為 NanoporeTERs 條形碼。圖片來(lái)源：Dennis Wise/華盛頓大學(xué)

“NanoporeTERs 為工程細(xì)胞提供了一種新的、更豐富的詞典來(lái)表達(dá)自己，并為它們旨在追蹤的因素提供了新的視角。他們可以一次告訴我們更多關(guān)于他們環(huán)境中正在發(fā)生的事情，”共同主要作者、華盛頓大學(xué)分子工程與科學(xué)研究所的博士生 Nicolas Cardozo 說(shuō)?！拔覀兓旧鲜惯@些細(xì)胞能夠以新的細(xì)節(jié)、規(guī)模和效率水平與計(jì)算機(jī)‘對(duì)話’它們周?chē)l(fā)生的事情，這將使我們能夠進(jìn)行比以前更深入的分析?！?/p>

對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)記方法，研究人員只能同時(shí)跟蹤少數(shù)光學(xué)報(bào)告蛋白，例如綠色熒光蛋白，因?yàn)樗鼈兙哂兄丿B的光譜特性。例如，很難同時(shí)區(qū)分三種以上不同顏色的熒光蛋白。相比之下，NanoporeTER 被設(shè)計(jì)為攜帶由氨基酸串組成的不同蛋白質(zhì)“條形碼” ，當(dāng)它們組合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)至少十倍的多路復(fù)用可能性。

這些合成蛋白質(zhì)從細(xì)胞外分泌到周?chē)h(huán)境中，研究人員可以使用市售的納米孔陣列收集和分析它們。在這里，該團(tuán)隊(duì)使用了 Oxford Nanopore Technologies MinION 設(shè)備。

VMB2200DF研究用三目相襯顯微鏡

華盛頓大學(xué)和微軟的研究人員推出了一類新的報(bào)告蛋白，可以通過(guò)市售的納米孔傳感設(shè)備直接讀取。此處顯示（從左到右）：Karen Zhang、Nicolas Cardozo、Kathryn Doroschak 和 Jeff Nivala。未圖示：Aerilynn Nguyen、Zoheb Siddiqui、Nicholas Bogard、Karin Strauss 和 Luis Ceze。注意：這張照片是在 COVID-19 大流行之前拍攝的。來(lái)源：塔拉布朗攝影

研究人員設(shè)計(jì)了帶有帶電“尾巴”的 NanoporeTER 蛋白質(zhì)，以便它們可以被電場(chǎng)拉入納米孔傳感器。然后，該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)每個(gè) NanoporeTER 條形碼的電信號(hào)進(jìn)行分類，以確定每種蛋白質(zhì)的輸出水平。

“這是細(xì)胞和計(jì)算機(jī)之間全新的接口，”資深作者、華盛頓大學(xué)保羅 G. 艾倫計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院研究助理教授 Jeff Nivala 說(shuō)?！拔蚁矚g做的一個(gè)類比是，熒光蛋白報(bào)告基因就像燈塔，而 NanoporeTER 就像瓶子里的信息。

“燈塔對(duì)于傳達(dá)物理位置非常有用，因?yàn)槟梢詮淖置嫔峡吹叫盘?hào)來(lái)自哪里，但是很難將更多信息打包到那種信號(hào)中。另一方面，瓶中的信息可以將大量信息裝入一個(gè)非常小的容器中，您可以將其中的許多信息發(fā)送到另一個(gè)位置以供閱讀。您可能會(huì)忽略發(fā)送消息的確切物理位置，但對(duì)于許多應(yīng)用程序而言，這不會(huì)成為問(wèn)題。”

作為概念驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含 20 多個(gè)不同 NanoporeTERs 標(biāo)簽的庫(kù)。但根據(jù)共同主要作者、加州大學(xué)伯克利分校-加州大學(xué)舊金山分校生物工程研究生項(xiàng)目的博士生 Karen Zhang 的說(shuō)法，潛力要大得多。

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“我們目前正在努力將 NanoporeTER 的數(shù)量擴(kuò)大到數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)，”今年畢業(yè)于華盛頓大學(xué)并獲得生物化學(xué)和微生物學(xué)學(xué)士學(xué)位的張說(shuō)?！拔覀儞碛械脑蕉?，我們可以追蹤的東西就越多。

“我們對(duì)單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)的潛力感到特別興奮，但這也可能改變游戲規(guī)則，因?yàn)槲覀兡軌蜻M(jìn)行多重生物傳感以診斷疾病，甚至針對(duì)身體內(nèi)部特定區(qū)域進(jìn)行靶向治療。如果我們可以并行測(cè)量所有組件的性能，而不是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，調(diào)試復(fù)雜的基因電路設(shè)計(jì)將變得容易得多，耗時(shí)也少得多。”

這些研究人員之前已經(jīng)對(duì) MinION 設(shè)備進(jìn)行了新的使用，當(dāng)時(shí)他們開(kāi)發(fā)了一種分子標(biāo)記系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的庫(kù)存控制方法。該系統(tǒng)依賴于包含合成DNA鏈的條形碼，可以使用便攜式閱讀器按需解碼。

這一次，團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步。

“這是第一篇展示商業(yè)納米孔傳感器設(shè)備如何重新用于它們最初設(shè)計(jì)的 DNA 和RNA測(cè)序以外的應(yīng)用的論文，”共同作者、Adaptive Biotechnologies 的計(jì)算生物學(xué)家 Kathryn Doroschak 說(shuō)，他完成了這項(xiàng)工作。在艾倫學(xué)校做博士生?！白鳛榧{米孔技術(shù)在未來(lái)變得更容易獲得和無(wú)處不在的先驅(qū)，這是令人興奮的。您已經(jīng)可以將納米孔設(shè)備插入手機(jī)。我可以設(shè)想有一天可以選擇相對(duì)便宜且在傳統(tǒng)基因組學(xué)之外廣泛使用的‘分子應(yīng)用程序’。”

什么是珠光體？珠光體金相顯微組織圖

珠光體是鐵碳合金中國(guó)析反應(yīng)所形成的鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。

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