2019年11月8日,四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室和实验医学科耿佳课题组、逯光文课题组与西安交通大学理学院张磊课题组联合上海交通大学、河南大学等单位,在Nature Communications杂志上发表了一篇题为Active DNA unwinding and transport by a membrane-adapted helicase nanopore的文章,构建了基于牛乳头瘤病毒解旋酶E1的全新类型“解旋+检测双功能”纳米孔。


川大等联合团队开发具有解旋和检测双功能的新型纳米孔技术


该文利用单分子检测技术、生物物理学和结构生物学方法,从功能和需求进行源头创新,设计了具有解旋功能的蛋白质纳米孔(作者将其命名为helicase nanopore,解旋纳米孔)。该解旋纳米孔为内径1.3纳米左右的蛋白质六聚体,通过将其融合于磷脂双层膜形成解旋纳米孔-平面磷脂膜复合体,实时检测了单链DNA的跨膜转运,并在保持其解旋活性的同时实现了双链核酸解旋步骤的单分子水平实时观测。该研究进一步将解旋纳米孔作为细胞探针与单个活细胞的细胞膜进行融合,构建了外源性仿生通道,实现了跨细胞膜物质投递与提取的实时记录,也为肿瘤成像和药物投递提供了新的方法。


川大等联合团队开发具有解旋和检测双功能的新型纳米孔技术


纳米孔基因测序原理概念自1995年提出以来,已发展成为第三代单分子测序的关键技术。目前便携式掌上测序仪在病原体快速检测、临床宏基因组分析方面展示了独特优势。现阶段纳米孔测序技术的传感器构架基于分子马达+高分子膜或磷脂膜上嵌入的蛋白质。分子马达控制核酸的移位和转运速度,纳米孔检测核酸序列引起的信号变化。在此过程中,酶驱动的纳米孔测序会引起核酸转运时的回车、跳车、卡顿,从而限制测序数据单次准确率与一致性,也制约了纳米孔测序成本的进一步降低。在该论文报导中,作者巧妙的利用了BPV E1解旋酶的酶活性,以及其六聚体的孔状蛋白结构,构建了解旋纳米孔,利用单个蛋白质纳米孔实现了核酸解旋+检测功能二合一,简化了当前酶驱动蛋白质纳米孔测序体系的核心传感器,有助于新型基因测序和检测系统的开发。


川大等联合团队开发具有解旋和检测双功能的新型纳米孔技术


该成果实现了我国纳米孔技术关键领域的原始创新,为发展新型纳米孔测序系统、细胞传感和分子诊疗技术提供了有力工具。


背景


现代精准医学、基因组学和分子诊断对基因测序技术提出了新型、快速、便捷的需求。第三代测序技术的代表纳米孔单分子测序具有长度长、免扩增、低成本和实时读取等独特优势。然而,当前我国纳米孔测序技术研究仍处于起步阶段,创新、高效、具有自主知识产权的纳米孔传感器仍亟待开发。


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