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利用毒素开发细胞级生物传感器

浏览量:388 2019-11-08

编者按:本文来自微信公众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询殷飞。


些类型的细菌具有对其他细胞“打孔”然后杀死它们的能力。这些细菌通过释放一种被称为“成孔毒素”(PFT)的特殊蛋白质,然后将这种蛋白质锁附在目标细胞的细胞膜上,形成穿过细胞膜的管状通道。这种贯穿细胞膜的结构便是所谓的孔。通过多个 PFT 打孔,目标细胞便会自我凋亡。


不过,研究人员对 PFT 的兴趣远不止细菌感染。它们“打孔”形成的纳米级孔洞还可以用于生物分子感测:生物分子(例如DNA或RNA)可以像由电压控制的线一样穿过这些纳米孔,其各组分(例如 DNA 中的核酸)能够提供可读出的独特电信号。事实上,纳米孔感测已经作为一种 DNA 或 RNA 测序的重要工具投放市场。


据麦姆斯咨询报道,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)科学家 Matteo Dal Peraro 领导的一项研究近期在 Nature Communications 发表,他们研究了另一种重要 PFT,可以有效地用于更复杂的感测应用,例如蛋白质测序。他们研究的 PFT 是气溶素(aerolysin),由嗜水气单胞菌细菌产生,是在许多生物体中发现的 PFT 主要家族的“创始成员”。


气溶素的主要优点之一是它形成的孔非常狭窄,相比其他毒素的“分辨率”要高得多。之前的研究表明,气溶素可以用于“感知”多种生物分子,但关于气溶素结构及其分子感测能力之间关系的研究很少。


图片来源:MEMS


研究人员首先利用气溶素的结构模型通过计算机模拟研究了其结构。气溶素是一种由氨基酸组成的蛋白质,该模型帮助科学家们了解了这些氨基酸通常如何影响气溶素的功能。


研究人员一旦掌握了其结构和功能之间的关系,便可以从策略上改变计算机模型中的氨基酸。然后,利用模型预测了每种结构变化对气溶素整体功能的可能影响。


通过计算,这项研究的主要作者 Chan Cao 博士获得了16个基因工程改造的“突变”气溶素孔,并将它们嵌入双层脂质中以模拟它们在细胞膜中的作用,然后进行了各种测量 (单通道记录和分子易位实验),以了解如何在分子水平上调节气溶素孔的离子电导率、离子选择性和易位特性。


通过这种方法,研究人员最终找到了影响气溶素结构和功能之间关系的因素:气溶素“帽”。研究发现,气溶素孔不仅是穿过细胞膜的通道,而且还具有帽状结构,可以吸引并束缚目标分子,并通过通道“拉动”它们。另外,影响“拉动”分子的是气溶素帽区域的静电。


“通过了解气溶素孔的结构如何影响其功能,我们现在可以设计出面向不同传感应用的定制孔洞。” Dal Peraro 说,“这将为测序 DNA、蛋白质及其转译后修饰的生物分子开辟新可能,并有望用于基因测序和诊断用生物标志物检测。”


目前,研究人员已经为这种基因工程气溶素孔的测序和表征应用申请了专利。


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