納米孔DNA測序技術和其在單分子蛋白質組學中的應用
日前，英國倫敦大學學院 (University College London) Adam Dorey & Stefan Howorka在Nature Chemistry上發表了一篇題為《Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics》的綜述文章，討論了納米孔DNA測序技術和其在單分子蛋白質組學中的應用。盡管納米孔DNA測序已經取得了顯著的進步，但蛋白質測序仍然更具挑戰性。
文章中，作者提及齊碳科技所自主研發的納米孔測序技術，并且將多篇基于齊碳納米孔基因測序平臺開展研究所發布的科研成果列入參考文獻。這充分說明，作為國產納米孔測序技術開拓者與領跑者，齊碳科技憑借其多年技術積累以及廣泛的應用探索，成功躋身納米孔基因測序這一高精尖領域的全球視野，獲得越來越廣泛的關注。
1、納米孔蛋白質測序的挑戰
蛋白質是一種極其復雜的生物大分子，其核心組成是肽鏈。然而，在真實世界中，這些肽鏈并非簡單地線性排列，而是以一種復雜的方式相互纏繞、折疊，形成多種復雜的三維結構。由于這種復雜的結構，蛋白質分子往往無法直接通過納米孔進行測序。
文章中指出，納米孔測序面臨諸多挑戰，首先，蛋白質測序在分析上更為復雜，需要區分20個典型氨基酸以及數百個非蛋白質氨基酸，包括許多翻譯后修飾，而DNA測序通常只讀取4個堿基。此外，蛋白質的復雜折疊阻礙了多肽鏈通過納米孔。另一個問題是缺乏類似于核酸聚合酶鏈反應（PCR）的蛋白質擴增方法。最后，蛋白質拷貝數的動態范圍可以從每個細胞1到107個拷貝，遠遠高于DNA。
蛋白的納米孔測序
（圖片來源：Nature Chemistry）
2、多肽穿越納米孔
作者在文章中指出，利用納米孔進行核酸測序，已經成為一種快速、高精度、低成本的有力工具，然而，由于目前的技術缺少便攜性且速度較慢，所以納米孔測序技術也亟需探索新未來——多肽測序。
多肽穿過納米孔可以通過電泳和分子馬達來實現，也可以通過電滲透，非常高的電壓可驅動一些高電荷蛋白質的展開。或者，可用帶電的變性劑包裹蛋白，還可以將帶負電荷的寡核苷酸偶聯到單結構域蛋白質上來展開。
比如對納米孔蛋白進行改造，可進行蛋白質展開和酶切（圖a）。這個納米孔傳感器由解折疊酶和蛋白酶體組成，不能提供單個氨基酸的完全分辨率，但可以用于指紋識別蛋白質。
其中最為成熟的一種測序方式是，為了實現對DNA的有效操控，科學家們設計了一種策略，即利用多肽將一段特定的DNA片段進行連接。通過引入馬達蛋白作為控制機制，科學家們能夠精確調節多肽分子通過納米孔的速度。這種控制過程產生了較為清晰的電信號，進而使得科學家能夠基于這些信號進行精確的識別操作。
齊碳科技聯合創始人、首席科學家白凈衛博士及其研究團隊，基于現有的納米孔基因測序平臺成功實現從基因測序至多肽直接測序（DNA連接肽鏈法）的突破性進展，獲得多達17個氨基酸(aa)讀取長度的階段性研究成果，相關內容已于2021年發表在國際化學領域期刊《Chemical Science》，我國納米孔多肽測序技術研究探索向前邁進重要一步。（點擊查看文章解析）
最近幾年，我國納米孔多肽測序技術發展更是進入快車道，多篇具有深遠學術影響的論文見刊于國際知名學術期刊（見參考文獻），這無疑將推動我國乃至全球納米孔多肽測序技術的進一步發展，為生命科學領域帶來更多的創新和突破。
值得一提的是，論文中提到，科學家們依據蛋白質的特性和測序需求，開發出了多種不同的方法和技術，這些方法和技術共同構成了納米孔蛋白測序領域內的多個流派。這些流派各自具有其獨特的原理、操作方式和適用場景，共同推動了納米孔蛋白測序技術的發展和應用。
3、技術展望
總體而言，納米孔測序技術在生物學、醫學等領域有著廣闊的應用前景，可有效推動生物發現、臨床診斷和國家基因安全保障等領域的發展。未來，齊碳科技將始終扮演新一代基因測序技術的開拓者與引領者，繼續向納米孔測序科研無人區挺進，持續提升國產測序儀性能，承擔起國家基因測序前沿科技研發重任，并與政、產、學、研、醫等相關各方緊密協作，為推動我國生命健康領域的快速發展貢獻硬核科技力量。
參考文獻
Dorey, A., Howorka, S. Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics. Nat. Chem. 16, 314–334 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01322-x
Chen, Zhijie et al. “Controlled movement of ssDNA conjugated peptide through Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) nanopore by a helicase motor for peptide sequencing application.” Chemical science vol. 12,47 15750-15756. 12 Nov. 2021, doi:10.1039/d1sc04342k
Wang, K., Zhang, S., Zhou, X. et al. Unambiguous discrimination of all 20 proteinogenic amino acids and their modifications by nanopore. Nat Methods 21, 92–101 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02021-8
Zhang, Y., Yi, Y., Li, Z. et al. Peptide sequencing based on host–guest interaction-assisted nanopore sensing. Nat Methods 21, 102–109 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02095-4
Zhang, M., Tang, C., Wang, Z. et al. Real-time detection of 20 amino acids and discrimination of pathologically relevant peptides with functionalized nanopore. Nat Methods 21, 609–618 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02208-7
文章中，作者提及齊碳科技所自主研發的納米孔測序技術，并且將多篇基于齊碳納米孔基因測序平臺開展研究所發布的科研成果列入參考文獻。這充分說明，作為國產納米孔測序技術開拓者與領跑者，齊碳科技憑借其多年技術積累以及廣泛的應用探索，成功躋身納米孔基因測序這一高精尖領域的全球視野，獲得越來越廣泛的關注。
1、納米孔蛋白質測序的挑戰
蛋白質是一種極其復雜的生物大分子，其核心組成是肽鏈。然而，在真實世界中，這些肽鏈并非簡單地線性排列，而是以一種復雜的方式相互纏繞、折疊，形成多種復雜的三維結構。由于這種復雜的結構，蛋白質分子往往無法直接通過納米孔進行測序。
文章中指出，納米孔測序面臨諸多挑戰，首先，蛋白質測序在分析上更為復雜，需要區分20個典型氨基酸以及數百個非蛋白質氨基酸，包括許多翻譯后修飾，而DNA測序通常只讀取4個堿基。此外，蛋白質的復雜折疊阻礙了多肽鏈通過納米孔。另一個問題是缺乏類似于核酸聚合酶鏈反應（PCR）的蛋白質擴增方法。最后，蛋白質拷貝數的動態范圍可以從每個細胞1到107個拷貝，遠遠高于DNA。
蛋白的納米孔測序
（圖片來源：Nature Chemistry）
2、多肽穿越納米孔
作者在文章中指出，利用納米孔進行核酸測序，已經成為一種快速、高精度、低成本的有力工具，然而，由于目前的技術缺少便攜性且速度較慢，所以納米孔測序技術也亟需探索新未來——多肽測序。
多肽穿過納米孔可以通過電泳和分子馬達來實現，也可以通過電滲透，非常高的電壓可驅動一些高電荷蛋白質的展開。或者，可用帶電的變性劑包裹蛋白，還可以將帶負電荷的寡核苷酸偶聯到單結構域蛋白質上來展開。
比如對納米孔蛋白進行改造，可進行蛋白質展開和酶切（圖a）。這個納米孔傳感器由解折疊酶和蛋白酶體組成，不能提供單個氨基酸的完全分辨率，但可以用于指紋識別蛋白質。
蛋白酶結合的納米孔
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
其中最為成熟的一種測序方式是，為了實現對DNA的有效操控，科學家們設計了一種策略，即利用多肽將一段特定的DNA片段進行連接。通過引入馬達蛋白作為控制機制，科學家們能夠精確調節多肽分子通過納米孔的速度。這種控制過程產生了較為清晰的電信號，進而使得科學家能夠基于這些信號進行精確的識別操作。
DNA連接肽鏈過孔
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
齊碳科技聯合創始人、首席科學家白凈衛博士及其研究團隊，基于現有的納米孔基因測序平臺成功實現從基因測序至多肽直接測序（DNA連接肽鏈法）的突破性進展，獲得多達17個氨基酸(aa)讀取長度的階段性研究成果，相關內容已于2021年發表在國際化學領域期刊《Chemical Science》，我國納米孔多肽測序技術研究探索向前邁進重要一步。（點擊查看文章解析）
最近幾年，我國納米孔多肽測序技術發展更是進入快車道，多篇具有深遠學術影響的論文見刊于國際知名學術期刊（見參考文獻），這無疑將推動我國乃至全球納米孔多肽測序技術的進一步發展，為生命科學領域帶來更多的創新和突破。
值得一提的是，論文中提到，科學家們依據蛋白質的特性和測序需求，開發出了多種不同的方法和技術，這些方法和技術共同構成了納米孔蛋白測序領域內的多個流派。這些流派各自具有其獨特的原理、操作方式和適用場景，共同推動了納米孔蛋白測序技術的發展和應用。
基于納米孔的的蛋白質指紋圖譜和測序技術
（圖片來源：Nature Chemistry）
（圖片來源：Nature Chemistry）
3、技術展望
總體而言，納米孔測序技術在生物學、醫學等領域有著廣闊的應用前景，可有效推動生物發現、臨床診斷和國家基因安全保障等領域的發展。未來，齊碳科技將始終扮演新一代基因測序技術的開拓者與引領者，繼續向納米孔測序科研無人區挺進，持續提升國產測序儀性能，承擔起國家基因測序前沿科技研發重任，并與政、產、學、研、醫等相關各方緊密協作，為推動我國生命健康領域的快速發展貢獻硬核科技力量。
參考文獻
Dorey, A., Howorka, S. Nanopore DNA sequencing technologies and their applications towards single-molecule proteomics. Nat. Chem. 16, 314–334 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01322-x
Chen, Zhijie et al. “Controlled movement of ssDNA conjugated peptide through Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) nanopore by a helicase motor for peptide sequencing application.” Chemical science vol. 12,47 15750-15756. 12 Nov. 2021, doi:10.1039/d1sc04342k
Wang, K., Zhang, S., Zhou, X. et al. Unambiguous discrimination of all 20 proteinogenic amino acids and their modifications by nanopore. Nat Methods 21, 92–101 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02021-8
Zhang, Y., Yi, Y., Li, Z. et al. Peptide sequencing based on host–guest interaction-assisted nanopore sensing. Nat Methods 21, 102–109 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-023-02095-4
Zhang, M., Tang, C., Wang, Z. et al. Real-time detection of 20 amino acids and discrimination of pathologically relevant peptides with functionalized nanopore. Nat Methods 21, 609–618 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02208-7
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