Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ “Nanopore-Tal” cho phép các tế bào nói chuyện với máy tính

Các protein báo cáo được mã hóa di truyền là trụ cột chính của nghiên cứu công nghệ sinh học, cho phép các nhà khoa học theo dõi sự biểu hiện gen, hiểu các quá trình nội bào và gỡ lỗi các mạch di truyền đã được thiết kế.

Nhưng các sơ đồ báo cáo thông thường dựa trên huỳnh quang và các phương pháp tiếp cận quang học khác đi kèm với những hạn chế thực tế có thể phủ bóng lên tiến trình trong tương lai của lĩnh vực này. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington và Microsoft đã tạo ra một “nanopore-tal” về những gì đang xảy ra bên trong các hệ thống sinh học phức tạp này, cho phép các nhà khoa học nhìn thấy các protein phóng viên trong một ánh sáng hoàn toàn mới.

Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một loại protein báo cáo mới có thể được đọc trực tiếp bằng một thiết bị cảm biến nanopore có bán trên thị trường. Hệ thống mới – được đặt tên là “Thẻ protein địa chỉ nano được thiết kế như phóng viên” hoặc “NanoporeTERs” – có thể phát hiện nhiều mức độ biểu hiện của protein từ các nền văn hóa tế bào vi khuẩn và người vượt xa khả năng của các kỹ thuật hiện có.

Nghiên cứu được công bố vào ngày 12 tháng 8 năm 2021, trên tạp chí Nature Biotechnology.

“NanoporeTER cung cấp một từ vựng mới và phong phú hơn cho các tế bào được thiết kế để thể hiện bản thân và làm sáng tỏ những yếu tố mà chúng được thiết kế để theo dõi. Họ có thể cho chúng tôi biết nhiều hơn về những gì đang xảy ra trong môi trường của họ cùng một lúc, ”đồng tác giả Nicolas Cardozo, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Phân tử UW cho biết. “Về cơ bản, chúng tôi đang làm cho những tế bào này có thể ‘nói chuyện’ với máy tính về những gì đang xảy ra trong môi trường xung quanh chúng ở một cấp độ chi tiết, quy mô và hiệu quả mới cho phép phân tích sâu hơn những gì chúng ta có thể làm trước đây.”

Đối với các phương pháp ghi nhãn thông thường, các nhà nghiên cứu chỉ có thể theo dõi một số protein phóng xạ quang học, chẳng hạn như protein huỳnh quang xanh, đồng thời do các đặc tính phổ chồng chéo của chúng. Ví dụ, rất khó để phân biệt giữa hơn ba màu khác nhau của protein huỳnh quang cùng một lúc. Ngược lại, NanoporeTERs được thiết kế để mang các “mã vạch” protein riêng biệt bao gồm các chuỗi axit amin , khi được sử dụng kết hợp, cho phép khả năng ghép kênh nhiều hơn ít nhất mười lần.

Các protein tổng hợp này được tiết ra bên ngoài tế bào vào môi trường xung quanh, nơi các nhà nghiên cứu có thể thu thập và phân tích chúng bằng cách sử dụng một mảng nanopore có bán trên thị trường. Tại đây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị Oxford Nanopore Technologies MinION.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các protein NanoporeTER với các “đuôi” tích điện để chúng có thể được kéo vào các cảm biến nanopore bằng điện trường. Sau đó, nhóm sử dụng máy học để phân loại các tín hiệu điện cho mỗi mã vạch NanoporeTER nhằm xác định mức đầu ra của mỗi protein.

Tác giả cấp cao Jeff Nivala, trợ lý giáo sư nghiên cứu của UW tại Trường Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Paul G. Allen cho biết: “Đây là một giao diện mới về cơ bản giữa tế bào và máy tính. “Một phép tương tự mà tôi muốn đưa ra là các phóng viên protein huỳnh quang giống như những ngọn hải đăng, và NanoporeTER giống như những thông điệp trong một cái chai.

“Những ngọn hải đăng thực sự hữu ích để giao tiếp một vị trí thực tế, vì bạn có thể thấy tín hiệu đến từ đâu theo đúng nghĩa đen, nhưng thật khó để đóng gói thêm thông tin vào loại tín hiệu đó. Mặt khác, một thông điệp trong chai có thể đóng gói rất nhiều thông tin vào một bình rất nhỏ và bạn có thể gửi nhiều thông tin đến một vị trí khác để đọc. Bạn có thể mất dấu vị trí thực tế chính xác nơi các tin nhắn được gửi đi, nhưng đối với nhiều ứng dụng, điều đó sẽ không thành vấn đề. “

Như một bằng chứng về khái niệm, nhóm đã phát triển một thư viện gồm hơn 20 thẻ NanoporeTERs riêng biệt. Nhưng tiềm năng lớn hơn đáng kể, theo đồng tác giả Karen Zhang, hiện là nghiên cứu sinh tiến sĩ trong chương trình sau đại học kỹ thuật sinh học UC Berkeley-UCSF.

Zhang, người tốt nghiệp năm nay tại UW với bằng cử nhân về cả hóa sinh và vi sinh cho biết: “Chúng tôi hiện đang làm việc để mở rộng số lượng NanoporeTER lên hàng trăm, hàng nghìn, thậm chí có thể là hàng triệu”. “Càng có nhiều, chúng ta càng có thể theo dõi nhiều thứ.

“Chúng tôi đặc biệt vui mừng về tiềm năng trong proteomics đơn bào, nhưng đây cũng có thể là một yếu tố thay đổi cuộc chơi về khả năng thực hiện đa cảm biến sinh học để chẩn đoán bệnh và thậm chí nhắm mục tiêu điều trị đến các khu vực cụ thể bên trong cơ thể. Và việc gỡ lỗi các thiết kế mạch di truyền phức tạp sẽ trở nên dễ dàng hơn và ít tốn thời gian hơn rất nhiều nếu chúng ta có thể đo hiệu suất của tất cả các thành phần song song thay vì thử và sai. “

Các nhà nghiên cứu này đã sử dụng thiết bị MinION mới trước đây, khi họ phát triển hệ thống gắn thẻ phân tử để thay thế các phương pháp kiểm soát hàng tồn kho thông thường. Hệ thống đó dựa trên mã vạch bao gồm các chuỗi DNA tổng hợp có thể được giải mã theo yêu cầu bằng cách sử dụng đầu đọc di động.

Lần này, nhóm nghiên cứu đã tiến một bước xa hơn.

“Đây là bài báo đầu tiên chỉ ra cách một thiết bị cảm biến lỗ nano thương mại có thể được thay thế cho các ứng dụng khác với trình tự DNA và RNA mà chúng được thiết kế ban đầu,” đồng tác giả Kathryn Doroschak, một nhà sinh học tính toán tại Công nghệ sinh học thích ứng, người đã hoàn thành điều này. làm nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Trường Allen. “Điều này rất thú vị vì là tiền đề cho công nghệ nanopore trở nên dễ tiếp cận hơn và phổ biến hơn trong tương lai. Bạn đã có thể cắm thiết bị nanopore vào điện thoại di động của mình. Tôi có thể hình dung một ngày nào đó sẽ có một sự lựa chọn về ‘ứng dụng phân tử’ tương đối rẻ tiền và có sẵn rộng rãi bên ngoài hệ gen truyền thống. “

Tham khảo: “Phát hiện trực tiếp nhiều lần các phóng viên protein mã vạch trên một mảng nanopore” của Nicolas Cardozo, Karen Zhang, Kathryn Doroschak, Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss, Luis Ceze và Jeff Nivala, 12 tháng 8 năm 2021, Nature Biotechnology .
DOI: 10.1038 / s41587-021-01002-6

Các đồng tác giả khác của bài báo là Aerilynn Nguyen tại Đại học Northeastern và Zoheb Siddiqui tại Amazon, cả hai đều là cựu sinh viên đại học của UW; Nicholas Bogard tại Patch Biosciences, một cựu liên kết nghiên cứu sau tiến sĩ của UW; Luis Ceze, giáo sư Trường Allen; và Karin Strauss, một giáo sư liên kết của Trường Allen và là giám đốc nghiên cứu chính cấp cao của Microsoft. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia và một thỏa thuận nghiên cứu được tài trợ từ Oxford Nanopore Technologies.

Theo Scitechdaily