承接上文三代测序学习笔记-技术起源2,我们继续: 经过学习技术起源1和技术起源2,我相信大家都对基本原理有了认知,可能会觉得这个技术so easy,是不是我们都可以来找几个合伙人干一下?会突变表达蛋白的,会生信的,会半导体芯片的,马上可以拉来一波风投,走向人生巅峰?其实真的没有这么简单... 一,成也速度,难也速度 我们都希望能尽快测序,但是具体实施方面,信号的收集难度给我们当头一棒。在Kasianowicz的经典论文实验中,加入了210个多聚U的单链DNA之后,观察到了短则300us,长则1300us的电流阻滞,即最慢的话,1个碱基穿过纳米孔也只需要1300/210≈6.2us,而且才产生了50pA(皮安)。 1s=10^6us,1A=1000mA=10^6μA=10^9nA=10^12pA, 可想而知,在极快的速度下,产生了极低的电流信号, 大大增加了纳米孔测序信号的收集难度。 另外一方面,在不加干涉的情况下,核酸链通过纳米孔的速度也是非常随意而没有规律的,在另外一篇经典文献中( 由此想见,要达到在皮安级电流水平上检测单个核苷酸的精度,必须延缓DNA通过纳米孔的速度。 二,奇怪的减速方法,用马达来减速 为了把速度慢下来,人们已经尝试了许多实验策略,如增加待测溶液的粘度( 上图来自: 上图来自:Trias J & Benz R Permeability of the cell wall of Mycobacterium smegmatis. Mol. Microbiol 14, 283–290 (1994). [PubMed: 7830572] 后来Roland Benz对 MspA的生物物理特性进行了鉴定,MspA 是一种来自烟曲霉(Mycobacterium smegmatis)的孔蛋白,其晶体结构后来被证明具有漏斗状几何形状,缩小至直径约 1.2 纳米、长度≤0.6 纳米的孔径。这一传感区域的直径与 α 溶血素的直径大致相同,但短了近一个数量级(如上图)。华盛顿大学的 Jens Gundlach 预测 MspA 将比 α 溶血素更好地检测 DNA 链中的单个核碱基。随后他在 MspA 的工程突变体中,将野生型MspA孔道内的负电荷氨基酸用中性或正电荷的氨基酸取代,Gundlach 的研究小组随后证实,突变型纳米孔能区分所有四种不同的核碱基,而且核碱基之间的离子电流差明显大于 α-hemolysin 纳米孔(Derrington IM et al. Nanopore DNA sequencing with MspA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16060–16065 (2010). [PubMed: 20798343])。 因此这个马达蛋白部分的策略和纳米孔道蛋白一样,就是寻找、突变、筛选、验证各种解旋酶,也有大量的专利围绕在这个部分。 最终目标就是找到特别优良的Motor Protein/Adapter,实现如下面那么美妙的测序原理:
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