Прорыв в обнаружении вариантов белков с помощью нанопор

Исследователи из Оксфордского университета совершили значительный прорыв в детекции модификаций белковых структур. Метод, опубликованный в Nature Nanotechnology, использует инновационную нанопоровую технологию для идентификации структурных вариаций на уровне одной молекулы, даже глубоко внутри длинных белковых цепей.

В человеческих клетках около 20 000 генов, кодирующих белки. Однако реальное количество наблюдаемых белков гораздо больше — известно свыше 1 000 000 различных структур. Эти варианты создаются в процессе посттрансляционной модификации (ПТМ), которая происходит после синтеза белка.

ПТМ вносит структурные изменения, например, добавление химических групп или углеводных цепей к отдельным аминокислотам. Это приводит к сотням возможных вариаций для одной белковой цепи.

Эти варианты играют ключевую роль в биологии, обеспечивая точную регуляцию сложных процессов в клетках. Составление их карты открыло бы ценную информацию, способную революционизировать понимание клеточных функций. Однако до сих пор создание полных инвентаризаций белков оставалось труднодостижимой целью.

Чтобы преодолеть это, команда разработала метод анализа белков на основе технологии нанопорового секвенирования ДНК/РНК. В этом подходе направленный поток воды захватывает и разворачивает трёхмерные белки в линейные цепи, которые пропускаются через крошечные поры, достаточно широкие для прохождения одной молекулы аминокислоты.

Структурные вариации идентифицируются путём измерения изменений в электрическом токе, приложенном к нанопоре. Разные молекулы вызывают различные нарушения тока, создавая уникальную сигнатуру.

Команда успешно продемонстрировала эффективность метода в обнаружении трёх различных модификаций ПТМ (фосфорилирование, глутатионилирование и гликозилирование) на уровне одной молекулы для белковых цепей длиной более 1200 остатков. Это включало модификации глубоко внутри белковой последовательности. Важно, что метод не требует использования меток, ферментов или дополнительных реагентов.

По словам исследователей, новый метод характеристики белков может быть легко интегрирован в существующие портативные нанопоровые секвенаторы. Это позволит быстро создавать белковые инвентари отдельных клеток и тканей, что облегчит диагностику у постели больного и персонализированное обнаружение специфических белковых вариантов, связанных с такими заболеваниями, как рак и нейродегенеративные расстройства.

Профессор Юйцзя Цин (соавтор исследования): «Этот простой, но мощный метод открывает многочисленные возможности. Изначально он позволяет изучать отдельные белки, например, вовлечённые в конкретные заболевания. В долгосрочной перспективе метод может создать расширенные инвентари белковых вариантов внутри клеток, открывая более глубокое понимание клеточных процессов и механизмов болезней».

Профессор Хейган Бэйли (соавтор и сооснователь Oxford Nanopore Technologies) добавил: «Возможность точно определять и идентифицировать посттрансляционные модификации и другие белковые вариации на уровне одной молекулы обещает значительный прогресс в понимании клеточных функций и молекулярных взаимодействий. Это также может открыть новые пути для персонализированной медицины, диагностики и терапевтических вмешательств».

Работа выполнена в сотрудничестве с исследовательской группой механобиолога Сержи Гарсии-Маньеса из Королевского колледжа Лондона и Института Фрэнсиса Крика.