危险的毒素遗传设计成高分辨率的生物传感器

嵌入膜双层（奶油色）和转移DNA（红颜色）中的工程机素孔（浅蓝色）的分子模拟。

一些细菌释放出在其他细胞上形成毛孔的毒素。EPFL科学家研究了孔形成毒素Arexin Areysin，并遗传地设计用于DNA和蛋白质的生物分子的高分辨率传感器。

某些类型的细菌能够将孔涌入其他细胞并杀死它们。它们通过将锁定在电池膜上的“孔形成毒素”（PFT）上的专门蛋白质释放出来并形成通过它的管状通道来实现这一点。在膜上的这个孔（结构？）被称为孔。被多个PFT刺破，目标细胞自毁。

然而，PFT已经过度地获得了超越细菌感染的利益。它们形式的纳米尺寸孔用于“感测”生物分子：生物分子例如。 DNA或RNA，通过纳米孔，如被电压转向的绳子，其辛均成分（例如，DNA中的核酸）发出可以读出的明显电信号。事实上，纳米孔感应已经在市场上作为DNA或RNA测序的主要工具。

在自然通信中出版，EPFL的Matteo Dal Peraro引领的科学家研究了另一个主要的PFT，可以有效地用于更复杂的感测，例如蛋白质测序。毒素是Areolysin，它由嗜水耳菌产生的，是许多生物体中发现的主要PFT家族的“创始成员”。

Aerolysin的主要优点之一是它形成非常窄的孔，可以分解具有比其他毒素更高的分离物的分子。以前的研究表明，Areolysin可用于“感知”几种生物分子，但对Aerolysin结构与其分子传感能力之间的关系没有几乎没有研究。

研究人员首先使用了Areolysin的结构模型来研究其与计算机模拟的结构。作为一种蛋白质，Areolysin由氨基酸组成，并且该模型帮助科学家了解这些氨基酸的方式如何影响Areolysin的功能。

一旦他们掌握了这种关系，研究人员开始战略地改变计算机模型中的不同氨基酸。然后，该模型预测每种变化对Acolysin整体功能的可能影响。

在计算过程结束时，这项工作的领先作者Chan Cao博士，生产了十六次遗传工程，“突变体”Areysin孔，将它们嵌入脂双层中以模拟其在细胞膜中的位置，并进行各种测量（单通道记录和分子易位实验）以了解Acolysin孔的离子电导，离子选择性和易位性能在分子水平上受到调节。

通过这种方法，研究人员终于找到了驱动器之间的关系和Aerolysin的功能：它的帽。Aerolysin孔隙不仅仅是通过膜的管，还具有帽状结构，吸引并将目标分子吸引并通过孔的通道“拉动”。研究发现，它是该帽区的静电，这些区域决定了这种关系。

“通过了解Aerolysin孔的结构如何连接到其功能的细节，我们现在可以为各种传感应用工程师进行定制孔隙，”Dal Peraro说。“这些将开辟新的，未开发的机会，以序列生物分子作为DNA，蛋白质及其翻译后修饰，在基因测序和生物标志物检测诊断中具有前景的应用。”科学家已经提交了对转基因Areolysin孔的测序和表征的专利。

其他贡献者

联邦里约热内卢科罗斯科罗科霍沃科技学院（俄罗斯）纳米级生物学EPFL实验室

资金

瑞士国家科学基金会，北方医疗生物研究基金会，欧盟Horizo​​ n 2020（MarieSkłodowska-Curie Grant）

参考

“通过Chan Cao，Nuria Cirauqui，Maria Jose Marcaida，Buglakova Elena，Alice Duperrex，Aleksandra radenovica和Matteo Dual Peraro，2019年10月29日，自然信息，Can Cao和核酸的单分子感测。2019年10月29日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-019-12690-9