如何利用工程改造的生物納米孔實(shí)現(xiàn)混合體系中糖分子的結(jié)構(gòu)鑒定呢？

糖是一類具有重要生物學(xué)功能的大分子，具有高度復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。目前，糖的結(jié)構(gòu)解析依賴于傳統(tǒng)的色譜法、質(zhì)譜法和核磁法等結(jié)構(gòu)表征手段。雖然這些方法相對成熟，但存在檢測步驟復(fù)雜、無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測等局限性，無法滿足糖基礎(chǔ)和應(yīng)用科研需求。與另一類生物大分子核酸已實(shí)現(xiàn)高通量測序相比，糖的結(jié)構(gòu)解析技術(shù)滯后。生物納米孔作為高度敏感的傳感器，應(yīng)用于核酸分子以及多肽測序，而在糖測序方向是否可行尚未被證實(shí)。

近期，中國科學(xué)院上海藥物研究所研究員高召兵/副研究員夏冰清（納米孔方向）、研究員文留青（糖化學(xué)方向）與研究員程曦（計(jì)算生物學(xué)方向）等，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種工程改造的生物納米孔，識別和捕捉到糖分子官能團(tuán)乙酰氨基和羧基的特征電信號，描繪了含有這兩種官能團(tuán)不同聚合度糖的電信號指紋圖譜，并運(yùn)用于混合體系中不同糖分子的結(jié)構(gòu)鑒定。

該工作為以生物納米孔為基礎(chǔ)的糖測序技術(shù)打開一扇門。相關(guān)研究成果以“Mapping the Acetylamino and Carboxyl Groups on Glycans by Engineered α-Hemolysin Nanopores”為題，在線發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（JACS）上，并被選為封面文章。

科研團(tuán)隊(duì)將納米孔α-溶血素（α-HL）的敏感位點(diǎn)113位的甲硫氨酸（M）作了基因工程改造，通過對極性、體積、電荷等氨基酸篩選，獲得敏感性、特異性最佳的工程納米孔M113R。該研究利用該納米孔清晰地表征了單糖分子中乙酰氨基和羧基兩種糖官能團(tuán)的電流信號，并建立了兩種糖官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與電信號對應(yīng)的指紋圖譜。該團(tuán)隊(duì)利用分子動(dòng)力學(xué)模擬和基因突變進(jìn)一步剖析了糖分子進(jìn)入該納米孔中的動(dòng)態(tài)過程，明確了納米孔M113R識別兩種官能團(tuán)的分子機(jī)制。

基于此，該研究利用兩種官能團(tuán)的特征電信號繪制了含有乙酰氨基和羧基寡糖的指紋圖譜。該工作采用指紋圖譜在糖混合體系中識別了含有兩種基團(tuán)的單糖、二糖和三糖。這一技術(shù)采用工程改造的納米孔，無需對糖進(jìn)行額外化學(xué)修飾或橋接。這一概念驗(yàn)證研究為高效建立糖分子指紋圖譜庫奠定了重要基礎(chǔ)。



電信號指紋圖譜識別混合體系中單糖、二糖和三糖

糖類化學(xué)信息的高效表征是糖結(jié)構(gòu)解析中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。與其他根據(jù)化學(xué)位移或峰強(qiáng)度信息的技術(shù)不同，該研究依據(jù)特征電信號分析糖分子結(jié)構(gòu)信息，獲得糖分子中特定官能團(tuán)的特征信號，將分子結(jié)構(gòu)信息與傳感事件產(chǎn)生的特征電信號直接聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，特征電信號能表征單糖分子的特殊結(jié)構(gòu)，并可同時(shí)精確解讀寡糖鏈的聚合度的大小，從多個(gè)維度反映糖分子結(jié)構(gòu)的多方面特征。

該工作獲得的糖電信號指紋圖譜是基于納米孔糖結(jié)構(gòu)鑒定分析的重要一步。同時(shí)，該研究提出了基于納米孔糖測序的可能路線。隨著對糖分子更多官能團(tuán)和其他特定結(jié)構(gòu)的鑒定，該團(tuán)隊(duì)逐步完善糖分子指紋圖譜的全方位繪制，建立了基于電信號的糖指紋圖譜庫，有望實(shí)現(xiàn)不同于現(xiàn)有技術(shù)路線的高效糖結(jié)構(gòu)表征——納米孔糖測序。

審核編輯：劉清