Nature Biotechnology：远超现有技术，“NanoporeTERs”使细胞能够与计算机通信

基因编码的报告蛋白一直是生物技术研究的支柱，它们使科学家能够跟踪基因表达、了解细胞内过程和调试工程基因回路。但是，依赖荧光和其他光学方法的传统报告方案具有实际局限性，现在，华盛顿大学的研究人员创造了一种被称为“NanoporeTERs”的技术，可以帮助了解这些复杂的生物系统内部发生了什么，让科学家们以全新的视角看待报告蛋白。

这种种新型的报告蛋白可以被商业上可用的纳米孔传感设备直接读取。新系统被称为“NanoporeTERs（Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters）”，可以从细菌和人类细胞培养中检测多种蛋白表达水平，远远超出现有技术的能力。

NanoporeTERs为工程细胞表达自己提供了一个新的、更丰富的库，并为它们被设计用来追踪的因素提供了新的线索。它们可以告诉我们更多关于它们的环境中同时发生的事情，华盛顿大学分子工程与科学研究所的博士生Nicolas Cardozo说。“我们本质上是想让这些细胞与计算机‘对话’，在细节、规模和效率上都达到了新的水平，这样我们就能够进行比以前更深入的分析。”

对于传统的标记方法，研究人员只能同时跟踪少数光学报告蛋白，例如绿色荧光蛋白，因为它们具有重叠的光谱特性。相比之下，NanoporeTERs被设计用来携带由氨基酸串组成的独特蛋白质“条形码”，组合使用时，可实现至少十倍的多路复用可能性。

这些合成蛋白在细胞外被分泌到周围的环境中，研究人员可以利用商业纳米孔测序来收集和分析它们。在这里，该团队使用了牛津纳米孔技术公司的MinION设备。

研究人员用带电荷的“tails”设计了纳米孔蛋白，这样它们就可以被电场拉到纳米孔传感器中。然后，该团队使用机器学习对每个纳米孔条形码的电信号进行分类，确定每个蛋白质的输出水平。

“这是细胞和计算机之间全新的接口，”资深作者Jeff Nivala说，他是华盛顿大学保罗·g·艾伦计算机科学与工程学院的研究助理教授。“我喜欢做的一个类比是，荧光蛋白报告器就像灯塔，NanoporeTERs就像瓶中的信息。

“灯塔对于通信物理位置非常有用，因为你可以看到信号来自哪里，但很难在这种信号中包含更多信息。另一方面，瓶中的信息可以将大量信息装入一个非常小的容器中，你可以将其中许多信息发送到另一个位置进行读取。你可能会忽略消息发送的确切物理位置，但对许多应用程序来说，这不是问题。”

为了证明这一概念，该团队开发了一个包含20多个不同纳米孔标签的文库。不过论文作者、加州大学伯克利分校生物工程研究生项目的博士生Karen Zhang表示，这种技术的潜力要大得多。

“我们目前正在努力将纳米孔的数量扩大到数百个、数千个，甚至可能更多，我们拥有的信息越多，我们可以追踪的信息就越多。我们对单细胞蛋白质组学的潜力感到特别兴奋，但这也可能是一个游戏规则的改变，因为我们有能力进行多路生物传感来诊断疾病，甚至针对身体的特定区域靶向治疗。如果我们能并行地测量所有组件的性能，而不是反复试验，调试复杂的基因电路设计就会简单得多，耗时也会少得多。”

这些研究人员以前曾对MinION设备进行过新颖的使用，当时他们开发了一种分子标记系统来取代传统的库存控制方法。该系统依赖于由合成DNA链组成的条形码，可以使用便携式读卡器按需解码。

这一次，团队又前进了一步。

“这是第一篇论文展示商业纳米孔传感器设备可以被用来应用程序除了他们最初的DNA和RNA序列设计, 这是一个激动人心的先兆，纳米孔技术在未来变得更容易获得和普遍。你已经可以将纳米孔装置插入你的手机。我可以想象，有一天，在传统基因组学之外，有一种相对便宜、广泛可用的‘分子应用程序’可供选择。”

参考文献：

Nicolas Cardozo, Karen Zhang, Kathryn Doroschak, Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss, Luis Ceze, Jeff Nivala. Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array. Nature Biotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41587-021-01002-6