Сенсорные нанопоры распознали единичные молекулы белков

Для выявления заболеваний медики должны анализировать пробы различных биологических жидкостей и узнавать их состав. Многие болезни можно диагностировать по наличию в анализах особых белков, поэтому врачам необходимы высокоточные методы обнаружения конкретных белковых молекул.

Большие перспективы в этой области связывают с технологией нанопор. Это чрезвычайно мелкие поры в биологических или других мембранах, обычно представляющие собой молекулы белков с каналом в середине. Нанопоры реагируют на взаимодействия с другими молекулами, изменяя свою способность пропускать ионы с одной стороны мембран на другую.

Эту технологию активно используют для того, чтобы «прочитать» последовательность ДНК, то есть для нанопорового секвенирования. При этом цепочка нуклеиновой кислоты протягивается через пору, а о порядке нуклеотидов в ней судят по изменению тока.

Теперь авторы статьи в Nature Communication сочетали технологию нанопор и специфичность антител, чтобы точно детектировать единичные молекулы белков.

Для начала ученые смоделировали и оптимизировали структуру нового белка и его взаимодействия с другими молекулами с помощью машинного обучения. Далее сенсор синтезировали как единый белок, состоящий всего из одной аминокислотной цепочки, части которой поэтому не требуется специально соединять.

Свое детище исследователи называют «удочкой»: действительно, полученный ими искусственный белок имеет «крючок» — особое антитело на основе фибронектина III (так называемое монотело), которое крайне избирательно связывает нужные молекулы. К крючку крепится «леска» — подвижный линкер, состоящий из шести нуклеотидов. Наконец, в самой мембране находится часть молекулы, образующая просвет поры, — так называемый бета-бочонок.

Как же выглядит «молекулярная рыбалка», с помощью которой можно заметить единичные молекулы? Сперва обращенное наружу монотело связывает нужный белок, плавающий в растворе. Это вызывает движение пластичного линкера и приближение «улова» к отверстию поры. В итоге поток ионов через нее изменяется, что можно зафиксировать с помощью чувствительных приборов.

Авторы исследования опробовали новую конструкцию на трех непохожих белках, важных для развития разных болезней. Для переключения на другую мишень было достаточно заменить всего одну часть сенсора — узнающее монотело, — причем такая замена не влияла на функции других частей молекулы.

Во всех трех случаях распознавание белка-мишени было быстрым и точным, так что новый метод вскоре могут взять на вооружение врачи.