[发明专利]一种纳米孔道单分子蛋白质测序仪有效

专利信息
申请号: 202011169556.5 申请日: 2020-10-28
公开(公告)号: CN112578106B 公开(公告)日: 2022-04-22
发明(设计)人: 龙亿涛;应佚伦;于汝佳;汪嘉骏;刘少创;李孟寅;李欣怡 申请(专利权)人: 南京大学
主分类号: G01N33/487 分类号: G01N33/487;G01N33/68
代理公司: 江苏新高的律师事务所 32374 代理人: 吴雪
地址: 210000 江苏*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 纳米 孔道 分子 蛋白质 测序仪
【说明书】:

发明提供了一种纳米孔道单分子蛋白质测序仪,主要包括纳米孔道阵列化芯片系统、微电流检测系统以及数据处理与构建系统三部分;芯片主要包括氨基酸电性筛选芯片以及基于特异性纳米孔道的氨基酸序列读取芯片等,其设计原理是根据氨基酸的亲疏水性、极性、带电性等性质,设计系列具有氨基酸靶向识别的生物纳米孔道,逐一获得组成待测蛋白质的氨基酸的纳米孔道特征离子流信号;通过阵列化微电流测量系统,实现对每一个纳米孔道内蛋白质序列特征信息获取;进而,利用标准纳米孔道模型肽序列信息库进行氨基酸序列识别、校正、整合与读取,能够实现单个氨基酸的超高分辨,满足蛋白质测序的技术要求。

技术领域

本发明涉及生物技术及医学领域,具体涉及一台多通道纳米孔道测序装置,可对蛋白质氨基酸序列进行直接、高效、精准的分析检测,并能灵活的扩展到生物样本中微量蛋白或未知蛋白测序分析的设备。

背景技术

蛋白质维持着细胞的各项生命过程,是生命体最重要的组成部分之一。对生物体内蛋白质氨基酸序列的精准测定是理解蛋白质生物功能的基础。目前蛋白质测序的方法主要是Edman降解测序以及质谱法,Edman法主要用于分析蛋白质N-末端,质谱法则是基于蛋白质酶切后的肽段分子在质谱中有规律性的断裂,寻找特定断裂模式,再根据质谱峰间质量差获取肽段的氨基酸信息和氨基酸上的翻译后修饰信息。质谱法具有较高的重现性和可信度,但其检测原理是通过检测质荷比来测定蛋白质序列的,较难直接测定分子量相似的氨基酸或翻译后修饰基团;此外,该方法需依赖于被收录的已知蛋白质序列数据库,难以直接精准获取蛋白质的序列信息,特别是较难实现未知蛋白质组成和序列的测定。目前,仍缺少针对蛋白质测量的扩增方法,很难实现一些微量蛋白质的测序。

纳米孔道单分子分析技术具有检测灵敏度高、无需标记等优势,近年来,纳米孔测序仪飞速发展,已逐渐应用于商业化DNA测序中,其检测的基本原理是将利用纳米级膜将两侧检测池电解质溶液隔开,将纳米孔道嵌在膜上并在两端施加电位,利用纳米孔道限域界面实现在大溶液体系下单个分子的捕获,单个待测分子会与纳米孔相互作用并穿过孔,产生阻断的特征电流信号,进一步应用模式识别算法得到碱基序列。由于蛋白质分子氨基酸组成复杂且电荷不均一等性质,目前的纳米孔道技术尚无法满足蛋白质测序的需求。

近年来,具有独特天然限域结构的气单胞菌溶素(Aerolysin)纳米孔道其最窄处仅有1 nm,大大提高了生物纳米孔道检测的灵敏度,在多肽分子的检测过程中可有效延长氨基酸在纳米孔道中的停留时间,实现对单个多肽分子中单个带电荷氨基酸的区分,因此,在测序仪上构建新型生物纳米孔道蛋白分子可进一步提高单分子蛋白质测序的空间分辨能力。目前的纳米孔道装置可初步实现几种简单氨基酸的分辨,尚不能满足20种氨基酸及其翻译后修饰的有效识别,且难以获取氨基酸序列信息。

对于研制纳米孔道单分子蛋白质测序装置主要的挑战在于:(1)亟需进一步研制高灵敏、特异性纳米孔道芯片实现不同氨基酸的单分子分辨,搭建多通道检测系统实现未知蛋白质的直接测序;(2)目前的纳米孔道数据采集装置尚不能实现极小电流信号(pA)的分辨,难以实现多通道同时检测。

针对以上挑战,本发明通过设计一系列可用于蛋白质测序的芯片,主要包括蛋白质去折叠芯片、氨基酸电性筛选芯片以及基于特异性纳米孔道的氨基酸序列读取芯片等,在芯片上构建不同的具有氨基酸靶向识别功能的生物纳米孔道,结合微弱电流测量系统,多通道并行最终实现氨基酸序列的电化学直接测量。进一步通过集成化阵列放大器减小输入电路总电容,抑制测量系统噪音,提高并行纳米孔道测量信号的信噪比,实现对每一个纳米孔道的高时间分辨和高电流分辨测量;发展纳米孔道蛋白测序大数据分析系统,利用标准纳米孔道模型肽序列信息库进行氨基酸序列识别、校正、整合与读取。本发明研制一台快速、低成本的蛋白质测序仪实现蛋白质分子在单分子水平上的精准分析,为生物医药的发展及生命科学领域提供一种新的快速分析仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是:基于生物纳米孔道的多通道蛋白质分析芯片,本发明提供了一种基于纳米孔道单分子蛋白质测序仪,实现了蛋白质分子在单分子水平上的直接、精准测定。

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