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科學(xué)家開發(fā)納米孔糖測序新策略
作者：江慶齡      來源：中國科學(xué)報
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中國科學(xué)院上海藥物研究所研究員高召兵領(lǐng)銜的“糖測序聯(lián)合攻關(guān)團隊”，聯(lián)合南京大學(xué)教授龍億濤團隊，成功開發(fā)了糖苷酶輔助的納米孔糖測序新策略，首次完成十個連續(xù)糖組成單元和糖苷鍵的準確解析，準確率達98%以上，并提出了“反向測序”原理，基于水解前后電信號的特征性變化進行序列判讀和解析。1月2日，相關(guān)研究發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。
糖分子在生物體內(nèi)具有重要的生物學(xué)功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性決定了其功能多樣性，但當前的糖結(jié)構(gòu)解析技術(shù)難以滿足高效、精準的糖序列解析要求。納米孔技術(shù)是一種單分子傳感技術(shù)，具有高靈敏度、高時空分辨率、低成本和便攜性等優(yōu)勢，已成功用于核酸測序，且在多肽和蛋白測序中展現(xiàn)巨大潛力。然而，聚糖單元的理化性質(zhì)與核酸和蛋白相比差異較大，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，采用納米孔進行糖測序更具挑戰(zhàn)性。
基于糖測序聯(lián)合攻關(guān)團隊前期設(shè)計的α-溶血素突變體M113R/T115A納米孔作為傳感器，攻關(guān)團隊通過系統(tǒng)優(yōu)化并提高了糖分子檢測的靈敏度和分辨率。團隊以鏈長為十糖的poly-LacNAc為模式糖鏈，用兩種特異性外切糖苷酶組成水解酶體系，將糖苷酶水解反應(yīng)與納米孔傳感偶聯(lián)，開展糖鏈序列信息的解讀。該策略無需嚴格控制易位速率，克服了傳統(tǒng)納米孔鏈測序應(yīng)用于糖序列解析中的部分缺陷，顯著降低了測序復(fù)雜性，同時充分利用了外切糖苷酶的高效性、特異性和納米孔傳感器的靈敏度推導(dǎo)糖序列信息。
進一步地，受物理學(xué)中“逆問題”模型的啟發(fā)，研究團隊首次提出“反向測序”原創(chuàng)測序策略，避免了對單糖和復(fù)雜糖分子電信號指紋圖譜的依賴，因此該測序策略不受當前缺乏高分辨率和全面糖指紋數(shù)據(jù)庫的限制。實驗檢測和真實場景測試結(jié)果提示，該納米孔檢測系統(tǒng)適用于糖水解測序，且即使糖鏈水解不完全也不影響測序結(jié)果。
為提高該糖測序技術(shù)的通用性和高效性，實現(xiàn)自動化、無偏和實時檢測，團隊開發(fā)了定制化機器學(xué)習算法，并設(shè)計了自動化糖測序流程。與薄層色譜檢測相比，該納米孔檢測系統(tǒng)的樣品檢測濃度降低100倍以上，識別時間比質(zhì)譜和親水相互作用色譜-高效液相色譜快5倍以上。
研究團隊表示，納米孔技術(shù)為糖質(zhì)密碼解析提供了新方法，未來將開發(fā)酶陣列系統(tǒng)，以提高該方法的通用性，并將其與自動識別系統(tǒng)集成，降低操作者專業(yè)要求。這些進展將促進整個糖科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12940
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