Генетически кодируемые репортерные белки были основой биотехнологических исследований, позволяя ученым отслеживать экспрессию генов, понимать внутриклеточные процессы и отлаживать сконструированные генные цепи.
Но традиционные схемы отчетности, основанные на флуоресценции и других оптических методах, имеют практические ограничения, которые могут омрачить будущий прогресс в этой области. Теперь исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft создали «нанопортуаль» того, что происходит внутри этих сложных биологических систем, что позволяет ученым взглянуть на репортерные белки в совершенно новом свете.
Команда представила новый класс репортерных белков, которые могут быть непосредственно считаны коммерчески доступным датчиком с наноотверстиями. Новая система? Названные «белковые метки с нанопорами, созданные как репортеры» или «наноносители»? Многочисленные уровни экспрессии белка могут быть обнаружены в культурах клеток бактерий и человека за пределами возможностей современных методов.
Исследование было опубликовано 12 августа в Природа Биотехнологии.
«NanoporeTERs предоставляют новый и более богатый словарный запас для клеток, созданных для самовыражения, и проливают новый свет на агентов, предназначенных для их отслеживания. Они могут сразу многое рассказать нам о том, что происходит в их среде», — сказал один из руководителей и соруководитель. Никола Кардозо, докторант Института молекулярной инженерии и науки UW. «По сути, мы позволяем этим клеткам« разговаривать »с компьютерами о том, что происходит в их окружении, с новым уровнем детализации, масштаба и эффективности, что позволит проводить более глубокий анализ, чем мы могли бы делать раньше».
При использовании традиционных методов мечения исследователи могут отслеживать только несколько оптических репортерных белков, таких как зеленый флуоресцентный белок, одновременно из-за их перекрывающихся спектральных свойств. Например, сложно одновременно различить более трех разных цветов флуоресцентных белков. Напротив, NanoporeTERs предназначены для переноса отдельных белковых «штрих-кодов», состоящих из цепочек аминокислот, которые при совместном использовании позволяют по крайней мере в десять раз больше возможностей для размножения.
Эти синтетические белки секретируются вне клетки в окружающую среду, где исследователи могут собирать и анализировать их с помощью имеющегося в продаже набора для нанопористых частиц. Здесь команда использовала устройство Oxford Nanopore Technologies MinION.
Исследователи сконструировали белки NanoporeTER с заряженными «хвостами», чтобы их можно было втягивать в наносенсоры электрическим полем. Затем команда использует машинное обучение для классификации электрических сигналов каждого штрих-кода с нанопорами, чтобы определить выходные уровни каждого белка.
«Это принципиально новый интерфейс между клетками и компьютерами», — сказал старший автор Джефф Невала, доцент-исследователь Вашингтонского университета в Колледже информатики и инженерии Пола Г. Аллена. «Одна из аналогий, которые я люблю проводить, заключается в том, что флуоресцентные белковые репортеры похожи на маяки, а NanoporeTER — это как сообщения в бутылке.
«Маяки действительно полезны для подключения к физическому местоположению, где вы можете буквально видеть, откуда исходит сигнал, но трудно собрать воедино больше информации в этом виде сигнала. С другой стороны, сообщение в бутылке может упаковывать много информации в очень маленьком контейнере, и вы можете отправить многие из них в другое место для чтения. Вы можете потерять из виду точное физическое местоположение, куда были отправлены сообщения, но для многих приложений это не будет проблемой . »
В качестве доказательства концепции команда разработала библиотеку из более чем 20 токенов для NanoporeTER. Но потенциал значительно больше, по словам соавтора Карен Чжан, которая сейчас учится в докторантуре в аспирантуре по биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли-UCSF.
«В настоящее время мы работаем над увеличением количества наноносителей до сотен, тысяч или даже миллионов», — сказал Чжан, окончивший в этом году Университет Висконсина со степенью бакалавра в области биохимии и микробиологии. «Чем больше у нас есть, тем больше вещей мы можем отслеживать.
«Мы особенно воодушевлены возможностями одноклеточных белков, но это также может изменить правила игры с точки зрения нашей способности выполнять множественные биосенсоры для диагностики заболеваний и даже нацеливать лечение на определенные области тела. Сложная отладка и ген разработка схем станет намного проще и требует меньше времени. Если бы мы могли измерять производительность всех компонентов параллельно, а не методом проб и ошибок ».
Эти исследователи использовали устройство MinION и раньше, когда они разработали систему молекулярной маркировки, чтобы заменить традиционные методы управления запасами. В системе использовались штрих-коды, состоящие из синтетических нитей ДНК, которые можно было расшифровать по запросу с помощью портативного считывающего устройства.
На этот раз команда пошла еще дальше.
«Это первая статья, в которой показано, как коммерческий наносенсор можно повторно использовать для других приложений, помимо секвенирования ДНК и РНК, для которых он был изначально разработан», — сказала соавтор Кэтрин Дурошак, вычислительный биолог из Adaptive Biotechnologies. Он работает докторантом в школе Аллена. «Это замечательно как предшественник технологии нанопор, которая станет более доступной и повсеместной в будущем. Вы действительно можете подключить устройство с нанопорами к своему мобильному телефону. Я могу представить, что однажды у меня будет выбор из« молекулярных приложений », которые будут относительно дешево и доступно Широкий диапазон доступен за пределами традиционной геномики ».
Дополнительными соавторами статьи являются Ирен Нгуен из Северо-Восточного университета и Зохаб Седдики из Amazon, оба бывшие студенты Вашингтонского университета. Николас Богард из Patch Biosciences — бывший научный сотрудник Вашингтонского университета. Луи Сиз, профессор школы Аллена; и Карен Штраус, адъюнкт-профессор школы Аллена и старший директор по исследованиям Microsoft. Это исследование финансировалось Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения, а также соглашением об исследованиях, спонсируемым Oxford Nanopore Technologies.
«Главный евангелист пива. Первопроходец в области кофе на протяжении всей жизни. Сертифицированный защитник Твиттера. Интернетоголик. Практикующий путешественник».
More Stories
Ученые раскрыли секреты потери морских звезд и возобновления роста конечностей
Комплексное мероприятие сообщества людей с деменцией в Ратуте, посвященное Всемирному месяцу борьбы с болезнью Альцгеймера.
Новое исследование массивного надвига предполагает, что следующее большое землетрясение может быть неизбежным