Новые исследования в секвенировании белков готовы изменить медицину
Хотя ДНК содержит генетические «инструкции» для биологической формы и функции, именно белки организма выполняют сложные команды, закодированные в ДНК.
Стюарт Линдсей из Института Biodesign при Университете штата Аризона (ASU) был в авангарде работ по улучшению быстрого секвенирования ДНК, а в последнее время сосредоточился на более сложной проблеме — секвенировании белковых молекул на уровне единичной молекулы.
В новом обзорном исследовании описываются усилия Линдсея и его международных коллег, которые применяют различные инновационные стратегии для секвенирования белков на уровне единичной клетки и даже единичной молекулы.
«Одним из сюрпризов проекта "Геном человека" стало то, что для построения человека достаточно всего около 25 000 генов. Реальная сложность заключается почти в бесконечном числе способов сборки белков из этого ограниченного набора генов, а также в химической модификации отдельных аминокислот (строительных блоков белков). Поэтому нам нужны инструменты для анализа белков на уровне одной молекулы».
Линдсей — директор Центра биophysics единичных молекул в Biodesign, профессор физики и регент-профессор в Колледже свободных искусств и наук, химии и биохимии ASU.
Обзор был подготовлен под совместным руководством Хавьера Альфаро (Гданьский университет, Польша), Амита Меллера (Технион, Израиль), Чирлмина Джу (Делфтский технический университет, Нидерланды) и Адама Поморского (Вроцлавский университет, Польша).
Исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Nature Methods.
Хотя клетки могут казаться идентичными, на самом деле они уникальны, и их индивидуальные свойства могут сильно различаться, что имеет важные последствия для здоровья и болезней. Поскольку основную работу в клетке выполняют белки, изучение вариаций от клетки к клетке в органах, тканях и культурах может дать ключевые данные, особенно для исследования рака, где мутации в отдельных клетках могут усиливаться, двигая развитие болезни.
Область исследования белков (протеомика) традиционно доминируют технологии масс-спектрометрии, которые дороги и обычно секвенируют смеси белков. Выявление отдельных белков в отдельных клетках потребует преобразования в технологии секвенирования, аналогичного революции в секвенировании ДНК. По словам Альфаро, «проблема в том, что, в отличие от ДНК, белки нельзя амплифицировать, и это создает серьезную проблему для чувствительности современного оборудования».
Подход Линдсея к проблеме включает метод, известный как туннелирование с распознаванием (recognition tunneling), который основан на технологии сканирующей туннельной микроскопии (STM). В более ранних исследованиях Линдсей использовал STM для идентификации оснований ДНК, последовательно проходящих через крошечное отверстие — нанопору.
Когда нуклеотиды ДНК проходят через нанопору, они на мгновение удерживаются между парой электродов. Ток, проходящий через каждое основание (туннельный ток), создает характерные электрические пики, которые подобны отпечатку каждого из 4 оснований: аденина, тимина, цитозина и гуанина.
Недавние достижения позволили применить ту же базовую идею для идентификации белков путем последовательного определения 20 аминокислот, из которых построены все белки. Хотя туннелирование с распознаванием для белков следует той же базовой схеме, что и для ДНК, задача секвенирования белков гораздо сложнее. Она требует присоединения аминокислот к специализированным адаптерным молекулам для прохождения туннельного тока, а также алгоритмов машинного обучения для точного определения секвенируемой аминокислоты.
«Этот обзор является частью запуска всемирных усилий по воплощению в реальность секвенирования белков на уровне одной молекулы, с вкладом многих лабораторий по всему миру в различные новые технологии, включая наш электронный подход», — говорит Линдсей.
«Мы ожидаем, что эти прорывные технологии проникнут на рынок, особенно в фармацевтическую промышленность, академические исследования и клиническую диагностику, — сказал Чирлмин Джу. — Используя эти технологии, мы сможем раскрыть разнообразие протеома, изучить, как белки общаются и взаимодействуют, и получить новые представления о том, как на самом деле работает жизнь на молекулярном уровне».
Дальнейший прогресс в секвенировании белков может открыть путь к рутинному клиническому применению для диагностики и лечения, реализуя давнюю цель персонализированной медицины.