Nanopore-Tal技术实现了细胞和计算机对话的能力

发布日期：2022-05-09
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移液 NanoporeTERS

华盛顿大学和微软的研究人员推出了一类新的报告蛋白，可以通过市售的纳米孔传感设备直接读取。在这里，威斯康星大学的博士生 Nicolas Cardozo 在威斯康星大学研究助理教授 Jeff Nivala 的注视下，将含有 NanoporeTER 的溶液移液到便携式 MinION 设备上。图片来源：Dennis Wise/华盛顿大学

基因编码的报告蛋白一直是生物技术研究的支柱，使科学家能够跟踪基因表达、了解细胞内过程并调试工程基因电路。

但依赖荧光和其他光学方法的传统报告方案存在实际局限性，可能会给该领域的未来进展蒙上阴影。现在，华盛顿大学和微软的研究人员已经为这些复杂的生物系统内部发生的事情创建了一个“纳米孔”，让科学家们能够以全新的视角看待报告蛋白。

该团队引入了一类新的报告蛋白，可以通过市售的纳米孔传感装置直接读取。新系统——被称为“Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters”或“NanoporeTERs”——可以检测细菌和人类细胞培养物中的多种蛋白质表达水平，远远超出现有技术的能力。

该研究于 2021 年 8 月 12 日发表在Nature Biotechnology 上。

原始纳米孔信号

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华盛顿大学和微软的研究人员推出了一类新的报告蛋白，可以通过市售的纳米孔传感设备直接读取。来自 MinION 设备的原始纳米孔信号流，其中包含数百个纳米孔传感器阵列。每种颜色代表来自单个纳米孔的数据。该团队使用机器学习将这些信号解释为 NanoporeTERs 条形码。图片来源：Dennis Wise/华盛顿大学

“NanoporeTERs 为工程细胞提供了一种新的、更丰富的词典来表达自己，并为它们旨在追踪的因素提供了新的视角。他们可以一次告诉我们更多关于他们环境中正在发生的事情，”共同主要作者、华盛顿大学分子工程与科学研究所的博士生 Nicolas Cardozo 说。“我们基本上使这些细胞能够以新的细节、规模和效率水平与计算机‘对话’它们周围发生的事情，这将使我们能够进行比以前更深入的分析。”

对于传统的标记方法，研究人员只能同时跟踪少数光学报告蛋白，例如绿色荧光蛋白，因为它们具有重叠的光谱特性。例如，很难同时区分三种以上不同颜色的荧光蛋白。相比之下，NanoporeTER 被设计为携带由氨基酸串组成的不同蛋白质“条形码” ，当它们组合使用时，可以实现至少十倍的多路复用可能性。

这些合成蛋白质从细胞外分泌到周围环境中，研究人员可以使用市售的纳米孔阵列收集和分析它们。在这里，该团队使用了 Oxford Nanopore Technologies MinION 设备。

Nanopore Tal 研究团队

华盛顿大学和微软的研究人员推出了一类新的报告蛋白，可以通过市售的纳米孔传感设备直接读取。此处显示（从左到右）：Karen Zhang、Nicolas Cardozo、Kathryn Doroschak 和 Jeff Nivala。未图示：Aerilynn Nguyen、Zoheb Siddiqui、Nicholas Bogard、Karin Strauss 和 Luis Ceze。注意：这张照片是在 COVID-19 大流行之前拍摄的。来源：塔拉布朗摄影

研究人员设计了带有带电“尾巴”的 NanoporeTER 蛋白质，以便它们可以被电场拉入纳米孔传感器。然后，该团队使用机器学习对每个 NanoporeTER 条形码的电信号进行分类，以确定每种蛋白质的输出水平。

“这是细胞和计算机之间全新的接口，”资深作者、华盛顿大学保罗 G. 艾伦计算机科学与工程学院研究助理教授 Jeff Nivala 说。“我喜欢做的一个类比是，荧光蛋白报告基因就像灯塔，而 NanoporeTER 就像瓶子里的信息。

“灯塔对于传达物理位置非常有用，因为您可以从字面上看到信号来自哪里，但是很难将更多信息打包到那种信号中。另一方面，瓶中的信息可以将大量信息装入一个非常小的容器中，您可以将其中的许多信息发送到另一个位置以供阅读。您可能会忽略发送消息的确切物理位置，但对于许多应用程序而言，这不会成为问题。”

CMY-400
CMY-400三目透反射正置金相显微镜

作为概念验证，该团队开发了一个包含 20 多个不同 NanoporeTERs 标签的库。但根据共同主要作者、加州大学伯克利分校-加州大学旧金山分校生物工程研究生项目的博士生 Karen Zhang 的说法，潜力要大得多。

“我们目前正在努力将 NanoporeTER 的数量扩大到数百、数千甚至数百万，”今年毕业于华盛顿大学并获得生物化学和微生物学学士学位的张说。“我们拥有的越多，我们可以追踪的东西就越多。

“我们对单细胞蛋白质组学的潜力感到特别兴奋，但这也可能改变游戏规则，因为我们能够进行多重生物传感以诊断疾病，甚至针对身体内部特定区域进行靶向治疗。如果我们可以并行测量所有组件的性能，而不是通过反复试验，调试复杂的基因电路设计将变得容易得多，耗时也少得多。”

这些研究人员之前已经对 MinION 设备进行了新的使用，当时他们开发了一种分子标记系统来取代传统的库存控制方法。该系统依赖于包含合成DNA链的条形码，可以使用便携式阅读器按需解码。

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这一次，团队更进一步。

“这是第一篇展示商业纳米孔传感器设备如何重新用于它们最初设计的 DNA 和RNA测序以外的应用的论文，”共同作者、Adaptive Biotechnologies 的计算生物学家 Kathryn Doroschak 说，他完成了这项工作。在艾伦学校做博士生。“作为纳米孔技术在未来变得更容易获得和无处不在的先驱，这是令人兴奋的。您已经可以将纳米孔设备插入手机。我可以设想有一天可以选择相对便宜且在传统基因组学之外广泛使用的‘分子应用程序’。”

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