黄硕课题组JACS: 电渗流纳米势阱实现蛋白质高分辨识别

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分子水平的蛋白质识别在疾病的早期诊断和治疗中具有重要的意义。一般来说，蛋白质可以通过质谱和免疫分析等手段进行鉴定。随着研究的深入，人们对蛋白质的分析已从对一级序列的研究延伸到通过观测蛋白质结构的变化来理解蛋白质的功能。然而，低丰度的蛋白质病理变化很可能被宏观手段所获得蛋白质集成信息所掩盖，无法捕捉到单个蛋白质的异常结构特征。目前开发一种能够识别不同的蛋白质，并区分由配体/药物结合和融合等过程引起的单个蛋白质的不同结构状态的蛋白质组学方法，仍然是基础研究中的一个挑战。
        纳米孔作为一种单分子蛋白质传感手段的优势正在逐渐显现。许多工作已经证明纳米孔能够以单分子分辨率对蛋白质进行识别和结构动力学直接分析。然而蛋白质与核酸不同，其表面电荷分布和整体带电性质差异较大，难以在统一的测试环境下都获得足够的捕获效率，这使得同时感知不同电荷蛋白质的传感器设计变得复杂。近年来，研究者通过工程化改造纳米孔内电荷分布的策略增加电渗透（EOF）作用，已经开发了一系列适合蛋白质分析的生物纳米孔道例如溶细胞素A（ClyA），曲霉毒素C（FraC）和胸膜溶素AB（PlyAB）。但这种策略可能影响待测蛋白和纳米孔的形状和结构稳定性，影响分析效率。同时，以上传感系统均暂未实现生物样品的直接检测。

图1. 机器学习辅助MspA纳米势阱同时检测不同电荷蛋白质

       最近，我院黄硕教授课题组提出了一种简单有效的方案，将KCl/CaCl2不对称电解质缓冲液与耻垢分枝杆菌孔蛋白A (MspA) 检测系统相结合构建电渗透(EOF)纳米势阱。这种方法可以将纳米孔对蛋白质的捕获效率提高7~18倍，且分析时间延长达159倍，极大程度提高了纳米孔解析蛋白质的能力。使用这种MspA势阱，天然肌红蛋白（holo-MB）和其脱辅基状态(apo-MB)之间的结构差异可以被清晰的分辨；另外，两种天然无序蛋白（ATCR和NCBD）形成复合物前后的结构差异也可以在单分子尺度被清晰的表征。更重要的是，碱性的溶菌酶(pI=11)、中性的apo/holo-肌红蛋白（pI=8.5 和7.3）和酸性的ACTR/NCBD复合物（pI=5.75）可在pH=7.0的测试环境下被同时传感。这是纳米孔分析策略中首次实现不同电荷性质的蛋白质的同时检测。

图2. MspA纳米势阱鉴别乳清蛋白粉中的ɑ-乳白蛋白和β-乳球蛋白

         进一步，为了实现混合传感事件分类的自动化，作者提取了蛋白质对离子流阻塞的七个特征构建了机器学习分类模型，对不同蛋白质的鉴定准确率可达到99.9%。这种机器学习辅助的MspA纳米势阱可以被用于直接从市售乳清蛋白粉中快速鉴定并定量其中的ɑ-乳白蛋白和β-乳球蛋白，无需对样品做任何的纯化预处理步骤，样品浓度0.4 μg/mL即可测试。验证了该策略在从混合物中蛋白质标记物的快速、高灵敏度检测和实时结构分析方面的具有非常好的应用前景，为纳米孔的蛋白质无标签直接分析提供了新的思路。
        该工作以“Machine Learning Assisted Simultaneous Structural Profiling of Differently Charged Proteins in a Mycobacterium smegmatis Porin A (MspA) Electroosmotic Trap”为题，于2022年1月7日发表于《美国化学学会期刊》（文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09259，DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.1c09259）我院博士生刘瑶为该论文的第一作者，我院黄硕教授为论文通讯作者，我院陈洪渊院士对该工作做出了重要指导。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院(ChemBIC)的重要支持，国家自然科学基金（项目编号：31972917, 91753108, 21675083）、中央高校基本科研业务费资助项目(项目编号：020514380257, 020514380261)、江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20200009）、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室(项目编号：5431ZZXM1902)、南京大学科技创新基金资助项目、中国博士后科学基金资助项目(项目编号：2021M691508)等提供了经费支持。


        文章来源：南京大学
         黄硕，南京大学教授、博士生导师,2006年于南京大学物理系获得物理学学士学位；2011年于美国亚利桑那州立大学获得生物物理学博士学位； 导师是Stuart Lindsay教授；2011年至2014年在英国牛津大学从事博士后研究工作，导师是Hagan Bayley教授。 2015年7月应聘南京大学化学化工学院教授。现从事主要科研方向为具有仿生学概念的单分子纳米孔生物传感器的 新仪器，新技术的开发。以及基于纳米孔的单分子显微成像技术。其中在纳米孔单分子成像方面具有原创性技术， 具有国际前沿研发水平。目前已于国际权威期刊Nature Nanotechnology, Nano Letters, Journal of Physical Chemistry C, Nanotechnology, Review of Scientific Instrument发表论文9篇。总引用大于500次。 其中以第一作者发表Nature Nanotechnology 2篇，并入选2010年12月刊封面。已授权国际专利两项，并分别 转让Roche,OxfordNanopore Technologies等企业。