分享一篇发表在JACS上的文章：Enzymeless DNA Base Identification by Chemical Stepping in a Nanopore，通讯作者是来自牛津大学Hagan Bayley课题组的庆雨佳(Yujia Qing)博士，课题组的研究方向包括多肽易位和测序、单分子化学和催化、3D打印、纳米孔工程。
纳米孔测序的原理是通过解码核酸链穿过纳米孔时电流的变化来识别碱基。在纳米孔中核酸的易位是由酶介导的（如解旋酶），以便于碱基移动通过孔道。目前纳米孔测序的方法已成功应用在便携式核酸测序仪上。然而对于包括多肽和多糖在内的其他生物聚合物而言，仍然缺乏应用于纳米孔测序中的酶，限制了该领域的发展。作者团队曾经设计了一种移动分子“hopper”，它能够携带生物聚合物沿着一条轨道进行精确易位 (Science 2018, 361 (6405),908−912.)。这种不需要特定酶参与的化学系统具有设计成通用测序平台的潜力。
在本文研究中，作者利用该化学系统实现了DNA在纳米孔易位过程中顺序的碱基识别。纳米孔的原型是在经典的α-溶血素(αHL)孔内的β链上均匀分布一系列半胱氨酸位点， 而“hopper”的运动是在跨膜电位下通过连续的硫醇-二硫交换反应完成。每次步进反应具有严格的区域选择性，使“hopper”始终被束缚在轨道上，同时具有高度的方向性。作者将感兴趣的DNA序列通过二硫键与含有traptavidin-binder的多肽载体结合。为了通过化学步进启动DNA易位，首先将DNA – 多肽偶联物从顺式一端穿入具有五个半胱氨酸轨道的蛋白质纳米孔αHL。末端的traptavidin阻滞剂阻止了易位，随后DNA通过一个立足点半胱氨酸侧链和二硫键之间的硫醇-二硫键交换共价连接到纳米孔壁。然后，作者应用跨膜电位来控制DNA的运动方向，通过改变电压的正负，DNA可以从轨道的一端反复移动到另一端。纳米孔的离子电流既可以反映出样品在小孔中的位置，也反映出DNA的序列。利用DTT将连接“hopper”与轨道的二硫化物还原，可在纳米孔内再生自由轨道，以便装载后续其它检测物。
随后作者为了证明化学步进有助于以单碱基分辨DNA的四种天然碱基，比较了第三个位置为T或C的低聚腺苷，发现两者确实展现出不同的电流模式。此外，该方法还能以单碱基分辨率鉴别鸟嘌呤上的铂修饰的相对位置。DNA序列在身份或位置上有一个碱基的差异，均可以被该化学步进纳米孔平台明确地区分出来。最后，作者坦言目前还不能将当前的信号转换成精确的序列，但未来也许能通过机器学习算法实现。
综上，本文研究提出了化学易位取代酶步进，实现单分子生物聚合物测序的一种潜在方法。
本文作者：MB
责任编辑：LDY
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07497
原文引用：DOI：doi.org/10.1021/jacs.1c07497
