基因編碼的報告蛋白一直是生物技術研究的支柱，它們使科學家能夠跟蹤基因表達、了解細胞內過程和調試工程基因迴路。但是，依賴熒光和其他光學方法的傳統報告方案具有實際局限性，現在，華盛頓大學的研究人員創造了一種被稱為“NanoporeTERs”的技術，可以幫助了解這些複雜的生物系統內部發生了什麼，讓科學家們以全新的視角看待報告蛋白。
這種種新型的報告蛋白可以被商業上可用的納米孔傳感設備直接讀取。新系統被稱為“NanoporeTERs（Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters）”，可以從細菌和人類細胞培養中檢測多種蛋白表達水平，遠遠超出現有技術的能力。
這項研究發表在8月12日的Nature Biotechnology雜誌上。
NanoporeTERs為工程細胞表達自己提供了一個新的、更豐富的庫，並為它們被設計用來追蹤的因素提供了新的線索。它們可以告訴我們更多關於它們的環境中同時發生的事情，華盛頓大學分子工程與科學研究所的博士生Nicolas Cardozo說。“我們本質上是想讓這些細胞與計算機‘對話’，在細節、規模和效率上都達到了新的水平，這樣我們就能夠進行比以前更深入的分析。”
對於傳統的標記方法，研究人員只能同時跟蹤少數光學報告蛋白，例如綠色熒光蛋白，因為它們具有重疊的光譜特性。相比之下，NanoporeTERs被設計用來攜帶由氨基酸串組成的獨特蛋白質“條形碼”，組合使用時，可實現至少十倍的多路復用可能性。
這些合成蛋白在細胞外被分泌到周圍的環境中，研究人員可以利用商業納米孔測序來收集和分析它們。在這裡，該團隊使用了牛津納米孔技術公司的MinION設備。
研究人員用帶電荷的“tails”設計了納米孔蛋白，這樣它們就可以被電場拉到納米孔傳感器中。然後，該團隊使用機器學習對每個納米孔條形碼的電信號進行分類，確定每個蛋白質的輸出水平。
“這是細胞和計算機之間全新的接口，”資深作者Jeff Nivala說，他是華盛頓大學保羅·g·艾倫計算機科學與工程學院的研究助理教授。“我喜歡做的一個類比是，熒光蛋白報告器就像燈塔，NanoporeTERs就像瓶中的信息。
“燈塔對於通信物理位置非常有用，因為你可以看到信號來自哪裡，但很難在這種信號中包含更多信息。另一方面，瓶中的信息可以將大量信息裝入一個非常小的容器中，你可以將其中許多信息發送到另一個位置進行讀取。你可能會忽略消息發送的確切物理位置，但對許多應用程序來說，這不是問題。”
為了證明這一概念，該團隊開發了一個包含20多個不同納米孔標籤的文庫。不過論文作者、加州大學伯克利分校生物工程研究生項目的博士生Karen Zhang表示，這種技術的潛力要大得多。
“我們目前正在努力將納米孔的數量擴大到數百個、數千個，甚至可能更多，我們擁有的信息越多，我們可以追蹤的信息就越多。我們對單細胞蛋白質組學的潛力感到特別興奮，但這也可能是一個遊戲規則的改變，因為我們有能力進行多路生物傳感來診斷疾病，甚至針對身體的特定區域靶向治療。如果我們能并行地測量所有組件的性能，而不是反覆試驗，調試複雜的基因電路設計就會簡單得多，耗時也會少得多。”
這些研究人員以前曾對MinION設備進行過新穎的使用，當時他們開發了一種分子標記系統來取代傳統的庫存控制方法。該系統依賴於由合成DNA鏈組成的條形碼，可以使用便攜式讀卡器按需解碼。
這一次，團隊又前進了一步。
“這是第一篇論文展示商業納米孔傳感器設備可以被用來應用程序除了他們最初的DNA和RNA序列設計, 這是一個激動人心的先兆，納米孔技術在未來變得更容易獲得和普遍。你已經可以將納米孔裝置插入你的手機。我可以想象，有一天，在傳統基因組學之外，有一種相對便宜、廣泛可用的‘分子應用程序’可供選擇。”
參考文獻：
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Nicolas Cardozo, Karen Zhang, Kathryn Doroschak, Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss, Luis Ceze, Jeff Nivala. Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array. Nature Biotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41587-021-01002-6