從痕量樣本中解碼生物分子的身份是生物技術領域的一個長期目標，雖然下一代測序技術已經使識別單個 DNA 和 RNA 分子成為可能，但同樣的能力還不能用于蛋白質。但是，在哈佛大學 Wyss 研究所、哈佛醫(yī)學院 (HMS) 的 Blavatnik 研究所和波士頓兒童醫(yī)院 (BCH) 的分子機器人計劃中工作的科學家們現在已經使用 DNA 創(chuàng)建了可能是世界上最細的測量蛋白質的尺子。

該技術被稱為“DNA 納米開關卡尺”(DNC)，使研究人員能夠通過施加少量的力對單個肽進行高精度的距離測量。通過在同一分子上快速進行許多這些距離測量，DNC 創(chuàng)建了一個獨特的“指紋”，可用于在后續(xù)實驗中識別同一分子。

DNC是基于DNA納米開關的基礎技術。這實際上是一條DNA的單鏈，在其長度的多個點上都有分子 “手柄”連接。當這些手柄中的兩個相互結合時，它們在DNA鏈中形成一個環(huán)，并且鏈的總長度被縮短。當施加力量將手柄拉開時，該鏈就會延伸回其原來的長度。鏈在成環(huán)和不成環(huán)狀態(tài)下的長度差異反映了環(huán)的大小，因此也反映了手柄之間的距離。

研究小組意識到，他們可以將DNA納米開關向前推進一步，將手柄設計成與生物大分子結合，那么手柄可以有效地將分子“夾在”它們之間，就像卡尺的兩個尖端，而不是相互結合。通過測量在手柄之間加入目標分子如何改變DNA納米開關在循環(huán)和非循環(huán)狀態(tài)下的總長度，該團隊假設他們可以有效地測量分子的大小。這就是DNC技術的原理。

在實驗當中，研究小組首先在簡單的單鏈DNA(ssDNA)分子上測試了DNC技術，并證實DNC的環(huán)狀和非環(huán)狀狀態(tài)之間的距離測量變化與目標分子的長度直接相關。這些長度變化可以用埃級精度(比DNA雙螺旋的寬度小10倍)來測量，從而能夠識別小到一個核苷酸的長度變化。

在確認DNC能夠可靠地測量DNA分子的大小之后，研究人員將重點轉移到了蛋白質。他們設計了一個具有已知長度和序列的合成肽，并重復了該實驗，通過強柄將其連接到DNC的一端，并通過施加不同程度的力反復連接和斷開其弱柄與DNC之間的鍵。

他們發(fā)現，他們的工具在強柄和弱柄之間測量的所有距離都與根據DNC的長度和肽中氨基酸的長度所預期的距離相符。當他們用DNC測量一種叫做NOXA BH3的自然發(fā)生的線性化肽時也得到了類似的結果。這個過程還為每條肽生成了獨特的測量指紋。

該團隊創(chuàng)建了一個計算機模型來預測有多少人類蛋白質可以用這種方法進行唯一識別，并發(fā)現在一個常用的蛋白質數據庫中，超過75%的蛋白質可以通過指紋識別，概率至少為90%。

識別單個蛋白質分子本身是一個令人印象深刻的壯舉，但是能夠同時對多個蛋白質進行識別是單分子蛋白質組學的真正圣杯。該團隊進一步證明，通過用一個磁鑷子系統取代光學珠，他們能夠對多個不同的肽進行平行測量，并確定不同分子的相對濃度。

該研究題為"Single-molecule mechanical fingerprinting with DNA nanoswitch calipers"，發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上。

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