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三代测序学习笔记-技术起源3

2024-2-27 14:04| 编辑: 归去来兮| 查看: 634| 评论: 0|来源: 科研诊断旁观 | 作者:yifu

摘要: 我相信大家都对基本原理有了认知

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(Akeson 

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(美国阿肯色大学的Jiali Li等通过在溶液中加入甘油,可以增加DNA的穿孔时间,但是实验条件要求非常苛刻,对实验技术要求很高(D.Fologea,J.Uplinger,B.Thomas,D.S.McNabb,and J.L.Li,Nano Letters 5,1734(2005)))、降低待测溶液的温度Meller 

上图来自:Cherf G 

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:

讲到现在,大家应该能看明白,Oxford Nanopore 公司的芯片版本号:
  • Reader:R8,R9,R10,等  这个就是 纳米孔蛋白
  • Motor:E6,E7,E8,等   这个就是马达蛋白也叫Adapter接头蛋白
  • Membrane:M9,M10,等 这个就是膜的版本号


等一下,你以为这样就把马达蛋白讲明白了吗?
有没有想过,马达蛋白是怎么装上去的?你以为是叠高高游戏一样随机怼上去的吗?

请听下回分解

End


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