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Nature | 黄硕团队开发纳米孔“逐字读取”技术,实现单分子肽序列精准解析

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蛋白质是生命活动中最核心的功能分子之一,几乎参与细胞内所有关键生物过程。从酶催化、信号传导,到免疫调控和疾病发生发展,蛋白质的结构与功能高度依赖其精确的氨基酸序列。因此,实现蛋白质序列的精准解析,是理解生命机制、发现疾病标志物以及推动精准医学发展的重要基础。该研究指出,蛋白质的氨基酸序列决定其三维结构和生物学功能,而高分辨率解析单个蛋白分子的序列信息,对于揭示复杂生命过程具有重要意义。

目前,蛋白质组学研究主要依赖质谱技术以及传统Edman降解方法。质谱技术凭借高通量优势,已经成为蛋白质鉴定的核心工具,但其在低丰度蛋白检测、翻译后修饰(post-translational modifications, PTMs)精准定位以及单分子水平分析方面仍存在局限。传统方法往往需要大量蛋白样本,并且难以捕获单个蛋白分子的完整信息。因此,开发能够直接读取单个蛋白质分子、同时兼顾序列信息和修饰信息的新一代蛋白质测序技术,成为生命科学领域的重要挑战。

近年来,受DNA纳米孔测序技术成功应用的启发,科学家开始探索利用纳米孔实现蛋白质和肽分子的单分子测序。纳米孔技术具有无需扩增、单分子检测以及实时读取等优势,被认为是突破传统蛋白质组学瓶颈的重要方向。然而,与结构规则、线性排列的核酸不同,肽链具有复杂的组成和动态结构,如何让单个肽分子以稳定、可重复的方式通过纳米孔,并产生能够对应氨基酸序列的特征信号,仍然是限制纳米孔蛋白测序发展的关键问题。

2026年,南京大学黄硕研究团队在Nature发表题为“Sequential reading of a stepwise-shortened peptide immobilized on nanopore”的研究论文,提出了一种全新的纳米孔肽测序策略——transient pore analyte looping(tPAL,瞬态孔-分析物环化策略)。该方法通过工程化改造纳米孔、固定单个肽分子,并结合酶促逐步切割,实现了对肽链氨基酸序列的连续读取,为单分子蛋白质测序领域带来了新的技术路线。


在本研究中,研究人员首先设计了一种特殊工程化纳米孔体系。研究人员选择具有高空间分辨率优势的Mycobacterium smegmatis porin A(MspA)纳米孔作为检测平台,并通过遗传密码子扩展技术,在纳米孔结构中特定位点引入化学反应位点,实现双功能修饰。

研究团队进一步在MspA纳米孔中引入镍离子结合的NTA-Ni适配结构,同时设计能够连接目标肽分子的反应位点,使单个肽分子能够被稳定固定在纳米孔附近。这种创新设计解决了传统纳米孔测序中肽分子运动随机、信号分散的问题,使同一个肽分子能够被多次读取。

基于这一设计,研究人员提出了tPAL检测机制。当肽分子固定于纳米孔后,其N端可以与NTA-Ni结构发生可逆结合,形成短暂的“环状”构象。由于同一个肽分子可以反复进入这一状态,因此能够产生大量高度一致的纳米孔电流事件,实现对单个肽分子的重复读取。

相比传统随机捕获模式,tPAL策略显著提高了信号稳定性。研究显示,被固定的肽分子可以产生高频、重复性的特征电流变化,并且这些信号主要由肽链N端区域决定,为后续逐步解析氨基酸序列奠定了基础。

在验证技术分辨率时,研究团队首先测试了单个氨基酸变化对于纳米孔信号的影响。通过设计20种仅N端一个氨基酸不同的肽变体,研究人员发现,tPAL能够有效区分不同氨基酸组成的肽分子。结合不同电压条件下采集的数据以及机器学习分析,分类模型最高验证准确率达到98.0%,证明该技术具备单氨基酸水平的识别能力。

为了真正实现“读取”肽序列,研究人员进一步引入氨肽酶,实现肽链从N端开始逐个氨基酸切除。每完成一次切割,暴露出的新N端都会产生新的纳米孔信号,从而形成与氨基酸排列顺序对应的一系列信号变化。

然而,传统游离氨肽酶由于距离固定肽分子较远,导致切割效率较低。针对这一问题,研究团队进一步对氨肽酶进行胆固醇修饰,使其富集于膜附近,提高局部酶浓度,从而增强酶促切割效率。利用这一优化体系,研究人员成功观察到完整的连续切割过程,并获得与肽链长度一致的多个信号阶段。

例如,在七肽LEFTRSC分析中,研究团队观察到了7个连续阶段,每一个阶段对应一个新的N端氨基酸暴露状态。通过这些连续信号变化,可以追踪肽链从第一个氨基酸到最后一个氨基酸的完整变化过程。

除了普通肽序列,该技术还展示了对复杂蛋白质信息的解析能力。研究人员进一步测试了包含氧化、乙酰化、三甲基化等翻译后修饰的肽分子,发现tPAL能够区分不同修饰类型,即使某些修饰具有相似质量,也能够通过信号差异实现识别。此外,该技术还能够检测包含非天然氨基酸的肽分子,显示出在合成生物学和药物研发中的潜在应用价值。

在序列解码方面,研究团队建立了基于机器学习的数据分析框架。由于每一次tPAL信号不仅包含当前N端氨基酸信息,还携带部分下游序列信息,因此研究人员提出基于3-mer(连续三个氨基酸组合)的解码策略,并结合机器学习模型完成肽序列重构。该方法降低了单分子信号随机误差,提高了序列预测可靠性。

进一步实验显示,研究团队成功解析了来源于人源septin 7蛋白片段的22个氨基酸长度肽段,实现了连续22个氨基酸阶段的读取,证明tPAL不仅适用于短肽分析,也具有向蛋白质片段测序拓展的潜力。

总之,该团队利用纳米孔技术提出tPAL策略,通过“固定肽分子—重复读取—逐步切割—信号解析”的创新模式,实现了单分子肽序列的高分辨率解析。该研究将纳米孔检测从传统的“随机捕获分子”模式转变为“主动控制并重复读取单个分子”的模式,大幅提高了信号稳定性和序列解析能力。通过结合工程化纳米孔、化学连接策略、酶促反应以及人工智能分析,该技术实现了单氨基酸分辨率检测,并能够识别突变、翻译后修饰以及非天然氨基酸插入等复杂信息。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10881-1

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