解码“生命天书”成功破译蛋白质测序难题

本文转自：四川日报

川大华西团队研究成果登上《nature methods》期刊封面——

解码“生命天书”成功破译蛋白质测序难题

□四川日报全媒体记者 宁宁

近日传来好消息：四川大学生物治疗全国重点实验室科研团队的最新成果登上了《nature methods》期刊封面。团队发表了题为“Real-time detection of 20 amino acids and discrimination of pathologically relevant peptides with functionalized nanopore”的研究论文，阐明纳米孔单分子检测新策略，实现了对全部20种天然氨基酸的直接区分，提出并验证了纳米孔外切酶实时多肽测序（简称NEPS）方法，为实现单分子蛋白质测序提供了可行途径，展示出生物传感器技术与人工智能算法结合的优异潜力，代表我国生物传感技术与蛋白质组学工具的原始创新能力进入全球前沿方阵。

为什么要区分氨基酸？此次提出的新方法如何进行区分？难点在哪里？记者对团队进行了采访。

方法：效果更好，灵敏度更高

“氨基酸是蛋白质的基本组成单位，每个人体内都有超过百万种蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者，许多疾病的发生与蛋白质的异常直接相关。”团队负责人耿佳说，比如缺乏凝血因子会引起血友病，异常淀粉样蛋白斑可损害神经元，是阿尔茨海默病的潜在诱因等。因此，破译后的蛋白质信息，能用于诊断、治疗、药物开发，是探索生命现象、促进人类健康的关键一环。

业内人士坦言，落后于基因测序，对蛋白质进行测序的难度堪称破译“生命天书”。当前，蛋白质测序的公认标准是质谱测序法。

然而，这一传统方法存在局限：若把蛋白质看作一条公路，传统方法要么是把公路打成一段一段的，然后对很短的一段“路”进行观测，没办法一次性走完“全程”，形成高通量测序；要么对整段“路”进行观测，而不能一段一段单独观测。“好比一眼望过去，只能看到一片，而看不到单个。”耿佳说，除了检测范围窄，传统方法的操作比较复杂，价格也很昂贵。

探索快速、实时、准确、便捷的蛋白质测序新技术，以英国、法国、中国为代表，当前全球生物技术与医药领域都在发力，不断涌现新进展。“2012年，英国团队能够同时测到7种氨基酸；2020年，法国能从20种氨基酸中区分13种，国内则是在2023年开始实现突破的。”耿佳说，自己从事相关研究已有17年，团队花了8年半围绕传感技术进行研究，2018年测到了两、三个氨基酸的顺序，直到此次提出NEPS方法，最终测到了20个。

相较传统方法，新方法有何不同？“最大的不同在于没有修饰，直接对多肽进行测序，不仅减少了步骤，提高了效率，同时还实现验证，代表了理论上是可行的。”团队成员打了个比方，20种氨基酸排在一起，犹如一串20种不同颜色的珍珠，NEPS方法不仅分清楚了每颗珍珠的颜色，还摸清了每颗珍珠位置，“效果更好，灵敏度也更高。”

测序：多学科交叉，即将进行成果转化

具体测序中，使用机器学习算法来准确区分氨基酸的电流信号是关键。

记者看到，团队成员把氨基酸放在溶液里。氨基酸通过的纳米孔孔道为生物传感器。“生物传感器经过修饰后可以结合铜离子，形成了类似渔网上的钩子，一个个氨基酸像鱼，通过生物传感器时会被钩住，也就是被短暂捕捉，从而产生特异性电流信号。我们通过检测这些电流信号的变化，来对20种氨基酸进行区分。”团队成员说，电流信号的变化越大，说明氨基酸的体积就越大。

“然后再通过结合人工智能，把足够多的电流信号收集起来，再加入算法，让电脑学习、总结出相似性，形成模版，氨基酸排序就跃然纸上了。”该研究成果的共同作者、教授陈路说，NEPS方法集合了多学科特点，不仅为实现单分子蛋白质测序提供了可行途径，还展示出生物传感器技术与人工智能算法结合的优异潜力。

当前，NEPS方法被验证可识别和区分与肿瘤和阿兹海默症等疾病相关的10种多肽。“人体内有超过百万种蛋白质，截至目前也只发现了一部分，未来的空间还很大。”团队成员说，接下来要把原理技术变为仪器，与川内生物制造企业合作，进行成果转化，研发高通量蛋白测序仪，还要发现更多疾病与蛋白质的关系，为最终破译“生命天书”、更精准的疾病诊断和治疗、更快的药物开发提供有力工具。