牛津大学90后“纳米孔测序”再获进展:单脚跳分子3小时内可前进249步,有望推进无酶体系在生物大分子的测序

2021-10-24 21:49:56 DeepTech深科技

2018 年,牛津大学黑根·贝利(Hagan Bayley)课题组在 Science 期刊报道了一个化学“单脚跳分子”(molecular hopper),可沿蛋白轨道分步、定向、持续运动。通过纳米孔传感平台,团队实现了单个分子以亚纳米步伐平行移动的实时监测。

近日,单脚跳分子的开发者,现牛津大学化学系格拉斯通(Glasstone)学者、莫德林学院(Magdalen College)青年研究员庆雨佳以通讯作者身份在 JACS 上发表了论文《通过纳米孔中的化学步进进行无酶 DNA 碱基鉴定》(Enzymeless DNA Base Identification by Chemical Stepping in a Nanopore)。该研究成果揭示了“单脚跳分子”可替代生物酶移动单个 DNA 链逐步通过蛋白纳米孔检测器进行碱基鉴定[2]

值得关注的是,2019 年,庆雨佳曾在国际梦想化学大奖赛(Dream Chemistry Award)中畅想“未来高通量通用型无酶生物大分子的单分子测序平台”,最新的工作也许是向着梦想迈出的第一步。

图|单脚跳分子(来源:庆雨佳)

回顾庆雨佳研究员在牛津大学的科研经历,她在博士期间曾以第一作者的身份在Science、Nat. Nanotechnol.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊发表了数篇研究成果。

谈及她是如何获得“科研密码”时,庆雨佳谦虚地说:“我并不觉得自己跟同龄人或者同事相比,在时间管理或者个人自律方面有多么明显的优势,甚至应该更糟一点。回顾我的博士过程,我最大的感受是幸运。有幸加入了一个自由度很高、很崇尚基础研究与多学科交叉的组。”

黑根·贝利课题组研究方向多元,课题涵盖膜蛋白工程、纳米孔生物物理、单分子化学和基于 3D 打印液滴网络(3D-printed droplet network)的生物医学和材料学方面的研究。

庆雨佳表示:“我们组课题的选择非常自由,导师一般会指点一些大的研究方向,博士入学后学生有几周灵活的时间去查文献定课题。导师推荐主课题花 80% 的时间,另外 20% 的时间可以用来尝试其他课题,甚至是一些疯狂的想法。

图|庆雨佳(来源:牛津大学官网)

对照实验意外收获,单脚跳分子跳出不曾设想的路

出于化学背景和对蛋白的兴趣,庆雨佳博士期间选择用蛋白纳米孔作为微型反应器,研究单分子尺度上的化学反应,特别是在纳米限域内的聚合物上进行可控化学反应。

在攻坚自己的主课题时,庆雨佳进行的一个对照实验涉及用含半胱氨酸的蛋白纳米孔切断一个含有二硫键的聚合物。

因为这个对照实验产生的电流信号很有趣,庆雨佳就在这个基础上,针对一些蛋白和聚合物结构做了一些变化,意外地观测到了方向性极强的单分子运动。

后续的深入研究于 2018 年和 2019 年分别发表在 Science 和 Nat. Nanotechnol. 期刊上,该研究成果突破了主流化学“步行分子(molecular walkers)”这一大设计挑战,即无法沿着一个既定轨道进行多步、长距离定向移动[1] 。

图|相关论文(来源:Sicence)

“也许这是很难在日常生活中想象的困难,人可以向着一个方向走,汽车踩油门就往前开,但是分子层面的运动本身就是无序的,就算固定在一个一维轨道上,一个分子也经常是进两步退三步。”

图|相关论文展示蛋白轨道上的分子跳跃(来源:Science)

庆雨佳在蛋白纳米孔- α -溶血素内部设计了一条半胱氨酸轨道。当一个巯基修饰的大分子(比如 DNA)与轨道上的巯基共价连接后,就可以在电场内通过巯基-二硫键交换反应实现多步定向移动。

初步实验分析显示,该分子定向移动有两个主要驱动力,第一,纳米孔孔内部施加的电场促进顺势而下的带电聚合物(DNA)移动;第二,从纳米限域内释放对聚合物的构造限制造成的熵增。

他们为这个分子取名为“单脚跳分子(molecular hopper)”,因为它不同于传统的两条腿走路的“步行分子(molecular walkers)”,以非常简单的化学反应实现了一条腿(化学键)移动,“93 分钟内可在半胱氨酸轨道上前进 249 步”。

该团队的单脚跳分子可以在一个轨道上来回定向移动,并且保持共价连接不脱离轨道,理论上可以进行无限长的分子运动。因此,只要实验形成的脂质双层膜足够稳定,就可以进行长时间电流记录,实现对单分子移动的持续观测。

单脚跳分子跳出无酶生物大分子测序新可能

因为单脚跳分子优越的性能,庆雨佳开始思考使用它替代酶进行单分子生物大分子测序的可能性,并在 2018 年的工作中进行了初步验证。

在刚刚上线 JACS 的研究成果中,庆雨佳以 DNA 为被测物确立了这一套基于化学反应的无酶体系,展示了在生物大分子测序方面的潜力。

图|相关论文展示化学定向移动为基础的无酶体系应用前景(来源:JACS)

庆雨佳表示:“虽然化学定向移动系统大规模应用比较遥远,但是从基础科学与应用前景来说,我认为是一个具有独特趣味的课题。短期内,纳米孔平台上还有很多可能性,包括建立多种大分子的单分子移动表征;长期我们计划探索二维平面上的分子移动。”

广泛使用的第二代测序技术(Next-generation Sequencing, NGS)具有出色的通量优势,而纳米孔测序技术特点是单分子分析与长读长。

庆雨佳认为,将两者优势结合是测序技术升级的方向,基于化学反应的分子定向运动具有巨大的平行化潜力,理论上,微米尺寸的芯片上可以集成百万个平行化学轨道。

当然,如何实现二维平面上的分子移动并建立适配的单分子传感系统是未来会面临的重大挑战。

敢做梦才能圆梦,对纳米孔做更有趣的研究

2019 年,庆雨佳在布拉格举办的“梦想化学奖(Dream Chemistry Award)”决赛中捧回奖杯,从全球数百位被提名的年轻化学家中脱颖而出。而在前一年,庆雨佳刚刚在阿姆斯特丹举办的第九届“Reaxys 博士大奖 (Reaxys PhD Prize)”比赛中成为至今唯一一名女性冠军获得者。

值得一提的是,“梦想化学奖”是一个非常独特的国际比赛,它鼓励青年化学家“做梦”,思考如何用数十年作为时间维度来解决一个化学相关的问题。主办方的两位科学家罗伯特·霍利斯特(Robert Holyst)和帕维尔·荣格沃斯(Pavel Jungwirth)还颇为用心地给参赛者设计了如“思维的水珠滴落”一样的奖杯。

图|2019 年梦想化学奖奖杯(来源:梦想化学奖官方网站)

庆雨佳表示:“我很喜欢评委会的颁奖词,说我的项目是‘head in the clouds and feet on the ground’,听起来是个非常理想的科研风格。”

庆雨佳参加“梦想化学奖”提交的项目是用化学方法实现通用型平行化的生物大分子单分子测序,旨在创造一种通用工具,用于平行测序和分析具有丰富序列信息的聚合物分子,这种工具无疑会对生物医学研究具有重要价值。

庆雨佳表示:“这是个很不切实际的梦想,但幸运的是单脚跳分子是一个很好的起始点,在原型系统上可以做很多工作。”正如纳米孔测序技术走过数十年从空想变为现实,年轻学者的化学梦想也值得时间考验 [3] 。

图|庆雨佳(来源:梦想化学奖官方网站)

牛津纳米孔公司(Oxford Nanopore Technologies, ONT)刚成立的时候,并没有立足解决核酸测序问题;成立 10 年后才有了第一台样机;16 年后的现在被广泛应用在各个领域,本月登陆伦敦证交所,上市一周后市值约 40 亿英镑。

从科学的角度来说,起初业界认为需要使用非常狭窄的单一读取头(single reading head)的蛋白孔作为纳米传感器,近期却验证了多个读取头可以收集更多信息;ONT 样机刚出时,大多数人认为就算纳米孔测序可行,测序的精度很难提升,不具有竞争性,但是现如今借助机器学习,算法不断完善,正确率一直在被刷新。

一个技术的发展,就是不断推翻认知,化不可能为可能。庆雨佳很高兴 ONT 一如既往地资助了很多基础科研项目,作为受益的科研工作者,她希望能做出更有趣的研究,与同行及该领域一同前进。

科研进展并非线性,多思考多尝试遇见未知的自己

复盘自己的学术生涯,庆雨佳表示:“有时候科研的进展并非线性,失败是常态,走两步退三步也很正常,我到第三年还经常觉得自己难以毕业,但是这不妨碍我继续换着花样做实验,多想多尝试总归不是坏事。

当我与许多履历更加精彩的年轻科学家们交流时,他们也会分享自己的挫折经历,给我很多鼓励。”

导师曾对庆雨佳这样讲,“幸运只眷顾有准备的人,如果一个学生一直朝一个方向前进,虽然最终不一定会到达一开始设立的目标,也总能有所成就的。”

图|黑根·贝利(Hagan Bayley)(来源:牛津大学官网)

庆雨佳怀疑这是一个幸存者偏差的描述,也曾问过导师这样的成功率有多少?导师当时笑着说“90%,不,95% 吧?”。

在科研工作中,庆雨佳一直希望能尽量做到两点,一是多思考,二是多尝试,找到有效且适合自己的路子。

-End-

参考:

1. Qing, Y.; Ionescu, S. A.; Pulcu, G. S.; Bayley, H. Directional Control of a Processive Molecular Hopper. Science 2018, 361 (6405), 908–912(2018).

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aat3872

2. Qing, Y.; Bayley, H. Enzymeless DNA Base Identification by Chemical Stepping in a Nanopore. J. Am. Chem. Soc. 2021,jacs.1c07497.

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c07497

3. Johnson, R. A dream to sequence life. Nat. Chem. 12, 321–322 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41557-020-0451-2

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