Nat Biotech：纳米机器实现细胞对话计算机
华盛顿大学和微软的研究人员已经介绍了一种新的报告蛋白，可以直接读取商用纳米孔感应装置。未加工的纳米孔信号从 MinION 设备流出，该设备包含数百个纳米孔传感器阵列。每种颜色代表一个单独纳米孔的数据。研究小组利用机器学习将这些信号解释为纳米粒子条形码。
华盛顿大学和微软的研究人员推出了一类新的报告蛋白，可以通过市售的纳米孔传感设备直接读取。 来自 MinION 设备的原始纳米孔信号流，该设备包含数百个纳米孔传感器阵列。 每种颜色代表来自单个纳米孔的数据。 该团队使用机器学习将这些信号解释为 NanoporeTERs 条形码。 图片来源：丹尼斯·怀斯/华盛顿大学
图片来源: Dennis Wise/华盛顿大学
基因编码的报告蛋白已经成为生物技术研究的支柱，使科学家能够跟踪基因表达，了解细胞内过程和调试工程遗传电路。
但是，依赖荧光和其他光学方法的传统报告方案具有实际局限性，可能会给该领域的未来进展蒙上阴影。现在，华盛顿大学和微软的研究人员在这些复杂的生物系统中创造了一个“纳米孔”，让科学家们能够以全新的视角看到报告蛋白质。
该团队引入了一类新的报告蛋白，可通过商用纳米孔传感装置直接读取。这一新系统被称为“纳米孔可寻址蛋白质标签工程报告器”或“纳米孔器”，能够检测细菌和人类细胞培养中的多种蛋白质表达水平，远远超出现有技术的能力。
这项研究发表在8月12日的《自然生物技术》上。
“纳米孔器为工程细胞提供了一个新的、更丰富的词汇库，使其能够表达自己，并对其设计用于跟踪的因素有了新的认识。他们可以一下子告诉我们更多关于他们环境中正在发生的事情，”联合主要作者Nicolas Cardozo说，他是UW分子工程和科学研究所的博士生我们基本上使这些细胞能够以一种新的细节、规模和效率水平与计算机“对话”它们周围发生的事情，这将使我们能够进行比以前更深入的分析。”
对于传统的标记方法，由于其重叠的光谱特性，研究人员只能同时跟踪少数光学报告蛋白，如绿色荧光蛋白。例如，很难同时区分三种以上不同颜色的荧光蛋白。相比之下，纳米孔被设计成携带由氨基酸串组成的独特蛋白质“条形码”，当组合使用时，允许至少十倍多的复用可能性。
这些合成蛋白质从细胞外分泌到周围环境中，研究人员可以在那里收集和分析它们，使用商业上可用的纳米孔阵列。在这里，研究小组使用了牛津纳米孔技术 MinION 设备。
研究人员设计了带有带电“尾巴”的纳米粒子蛋白质，这样它们就可以通过电场被拉入纳米孔传感器中。然后，研究小组使用机器学习对每个纳米颗粒条形码的电信号进行分类，以确定每个蛋白质的输出水平。
华盛顿大学保罗 · g · 艾伦计算机科学与工程学院研究助理教授、资深作者杰夫 · 尼瓦拉说: “这是细胞与计算机之间一个全新的接口。”。“我喜欢把荧光蛋白质记录器比作灯塔，而纳米计就像瓶子里的信息。
“灯塔对于物理位置的通信非常有用，因为你可以看到信号从哪里发出，但是很难在这种信号中包含更多的信息。另一方面，一个瓶子里的信息可以把很多信息装进一个很小的容器里，你可以把很多信息发送到另一个地方去阅读。你可能会看不到消息发送的确切物理位置，但对于许多应用程序来说，这不是问题。”
作为一个概念验证，该小组开发了一个包含20多个不同的 nanoporets 标签的文库。但是根据合著者 Karen Zhang 的说法，这种潜力要大得多，Karen Zhang 现在是加州大学伯克利分校-加州大学旧金山分校生物工程研究生项目的教授的博士生。
“我们目前正在努力将纳米计数器的数量增加到数百、数千甚至数百万个,”今年毕业于 UW，获得生物化学和微生物学学士学位的张说。“我们掌握的信息越多，我们可以追踪的信息就越多。
“我们对单细胞蛋白质组学的潜力感到特别兴奋，但这也可能成为一个游戏规则的改变者，因为我们可以通过多种生物传感技术诊断疾病，甚至将治疗药物定位于人体内的特定区域。如果我们能够并行地测量所有组件的性能，而不是通过反复试验来测试，那么调试复杂的遗传电路设计就会变得容易得多，耗时也少得多。”
这些研究人员在开发分子标记系统以取代传统的库存控制方法之前，就已经使用了 MinION 设备。该系统依赖于由合成 DNA 链组成的条形码，可以根据需要使用便携式阅读器进行解码。
这一次，研究小组更进了一步。
合作者 Kathryn Doroschak 是 Adaptive Biotechnologies 公司的计算生物学家，她在 Allen 学院担任教授的博士生研究员期间完成了这项工作。“这是一个令人兴奋的前兆，纳米孔技术将在未来变得更容易获得和无处不在。你已经可以把纳米孔装置插入你的手机了。我可以设想，有朝一日，我们可以在传统基因组学之外，选择相对廉价、广泛可用的'分子应用程序’。”
More information: Nicolas Cardozo et al, Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array, Nature Biotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41587-021-01002-6
Journal information: Nature Biotechnology
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