电气科学：新研究描述了蛋白质的传导

 
块-放置在一对电极之间。聚合酶与核苷酸的结合会导致电导峰，这可能是聚合酶结合的特定分子的特征。从理论上讲，这种设备可以进行快速，准确，低成本的DNA测序，并且可能在医学上有许多其他应用诊断，工业生产等领域。信用：林赛实验室在生命必不可少的生物分子动物园中，酶是最重要的酶之一。没有这些能够加速化学反应速度的特殊蛋白质，从细胞生长和消化到呼吸和神经功能的数千个基本生命过程将是不可能的。
在新的研究中，斯图尔特·林赛(Stuart Lindsay)和他的同事们研究了最近发现的一种由酶，最有可能是所有蛋白质完成的壮举。在适当的条件下，它们可以充当极好的电导体，从而可以将它们结合到各种电子设备中。 Lindsay说：“这是将酶惊人的化学多样性直接插入计算机的一种方式。”
尽管蛋白质电导在自然界中的作用仍然是个谜和推测，但利用这种现象供人类使用可能会为生化传感设备，智能工业生产和医学诊断领域的新创新开辟新的途径。
也许最令人兴奋的是，通过一种特殊类型的酶产生的电导率可能标志着DNA测序的重大进步。在这种设备中使用大自然自己的高分辨率DNA读取器DNA聚合酶，可以以非常低的成本，以前所未有的准确性实现整个人类基因组的快速闪电测序。这项新的研究“打开了潘多拉盒子，它可以观察计算机芯片中任何酶的功能。”
这项新研究的作者描述了他们用来将DNA聚合酶固定在一对电极上的技巧，以及与该酶相关的电流尖峰，它们相继结合并释放了目标DNA核苷酸。酶电导的成功演示为最终将蛋白质阵列安装到计算机芯片上铺平了道路，在那里它们可以充当生物并行处理器来完成各种任务。
Lindsay说：“酶是令人难以置信的分子，它们会进行化学反应，否则就不会发生。”为了了解这些分子的力量，生命过程中必不可少的某些反应(每秒展开数千次)会在没有酶的情况下发生几千年。
Lindsay负责亚利桑那州立大学的单分子生物物理生物研究中心。该中心的主要研究集中在分子医学和纳米技术联系的科学。
他的小组的发现发表在即将发行的ACS Nano杂志上。
蛋白质作为导体
直到最近，蛋白质仍被严格视为电流的绝缘体。现在看来，它们不寻常的物理性能可能会导致它们敏感地置于绝缘体和导体之间的状况。 (一种称为量子临界的现象可能是其特殊行为的核心。)
确实，在较早的研究中，林赛(Lindsay)通过捕获在一对电极之间的蛋白质证明了很强的导电性。这项新的研究进一步推进了蛋白质电导的研究。以前，该蛋白质是通过其两个所谓的活性位点连接的。这些是结合选定分子的蛋白质区域，通常会导致分子复杂的3-D结构发生构象变化，并完成蛋白质的既定任务。
这次，生物分子通过酶上的其他结合位点灵敏地连接到电极上，剩下的活性位点可用于结合分子并执行天然蛋白质功能。
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实验中选择的酶分子是生命中最重要的酶之一。这种酶被称为DNA聚合酶，与一段DNA中的连续核苷酸结合，并一一对应地生成核苷酸的互补链。这种多功能的纳米机器用于生物系统中，用于在细胞复制过程中复制DNA，以及修复DNA的断裂或其他损伤。
该研究描述了将DNA聚合酶固定在电极上的技术，该技术可通过两种专门结合的化学物质生物素和链霉亲和素产生强电导信号。当使用该技术对一个电极进行功能化时，随着DNA聚合酶连续结合并释放每个核苷酸，会产生小的电导尖峰，就像握住手抓住并释放棒球一样。当两个电极都装有抗生蛋白链菌素和生物素时，观察到的电导信号要强得多，是电导信号的3-5倍。
摄政大学教授，纳丁和爱德华·卡森物理化学教授。图片来源：ASU生物设计研究所利用聚合酶进行快速DNA测序的想法已经与Lindsay联系了一段时间了。他曾考虑在他创建的早期设备中使用它，该设备中的DNA片段通过狭窄的隧道连接处馈入。 “如果您可以在聚合酶中放入一对电极，这不是一件好事，因为聚合酶会抓住DNA并通过连接处突触它。如果您在聚合酶中嵌入了读出机制，那么您将拥有理想的测序仪”。
新方法希望采用不同的方法，利用聚合酶自身的速读专业知识，通过对4个DNA碱基中的每个碱基特异的电导峰提供核苷酸的读出。在实践中，必须克服许多设计障碍。聚合酶正确连接以实现电导是一项微妙的事情，并且涉及很多试验和错误。结合位点必须在不影响蛋白质折叠和功能的特定结构域进行改造，必须设计连接方式以防止酶本身与电极接触。使用生物素结合分子似乎对高电导率也至关重要。结合抗生蛋白链菌素口袋的生物素似乎有助于推动电子深入蛋白质内部，从而使电导最大化。
从背景噪声和酶接触点的随机运动中分离出记录每个连续DNA碱基的电导信号也已被证明是具有挑战性的，并且采用复杂的机器学习算法来阐明电导读数。 Lindsay相信，只要将聚合酶掺入适当隔离且密封的芯片中以牢固地固定酶，这些噪音问题中的许多问题都将得到解决。
第一个完整的人类基因组是科学和医学的里程碑。人类基因组计划的艰巨努力消耗了13年的劳动力，耗资10亿美元。现在，蛋白质生物电子学新时代的闸门可能正在打开，许多惊喜可能会出现。
如果可以克服剩余的技术障碍，则可以以功能性DNA聚合酶的惊人速度或每秒约100个核苷酸的速度进行DNA测序。 Lindsay说：“如果将10,000个分子放在芯片上，这不是一件难事，那么您将在一小时内完成整个基因组的测序。”