牛津大學(xué)90后“納米孔測序”再獲進(jìn)展：單腳跳分子3小時內(nèi)可前進(jìn)249步，有望推進(jìn)無酶體系在生物大分子的測序

 近日，單腳跳分子的開發(fā)者，現(xiàn)牛津大學(xué)化學(xué)系格拉斯通（Glasstone）學(xué)者、莫德林學(xué)院（Magdalen College）青年研究員慶雨佳以通訊作者身份在 JACS 上發(fā)表了論文《通過納米孔中的化學(xué)步進(jìn)進(jìn)行無酶 DNA 堿基鑒定》（Enzymeless DNA Base Identification by Chemical Stepping in a Nanopore）。該研究成果揭示了“單腳跳分子”可替代生物酶移動單個 DNA 鏈逐步通過蛋白納米孔檢測器進(jìn)行堿基鑒定[2]。 值得關(guān)注的是，2019 年，慶雨佳曾在國際夢想化學(xué)大獎賽（Dream Chemistry Award）中暢想“未來高通量通用型無酶生物大分子的單分子測序平臺”，最新的工作也許是向著夢想邁出的第一步。 回顧慶雨佳研究員在牛津大學(xué)的科研經(jīng)歷，她在博士期間曾以第一作者的身份在Science、Nat. Nanotechnol.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊發(fā)表了數(shù)篇研究成果。
談及她是如何獲得“科研密碼”時，慶雨佳謙虛地說：“我并不覺得自己跟同齡人或者同事相比，在時間管理或者個人自律方面有多么明顯的優(yōu)勢，甚至應(yīng)該更糟一點?；仡櫸业牟┦窟^程，我最大的感受是幸運。有幸加入了一個自由度很高、很崇尚基礎(chǔ)研究與多學(xué)科交叉的組。”
黑根·貝利課題組研究方向多元，課題涵蓋膜蛋白工程、納米孔生物物理、單分子化學(xué)和基于 3D 打印液滴網(wǎng)絡(luò)（3D-printed droplet network）的生物醫(yī)學(xué)和材料學(xué)方面的研究。
慶雨佳表示：“我們組課題的選擇非常自由，導(dǎo)師一般會指點一些大的研究方向，博士入學(xué)后學(xué)生有幾周靈活的時間去查文獻(xiàn)定課題。導(dǎo)師推薦主課題花 80% 的時間，另外 20% 的時間可以用來嘗試其他課題，甚至是一些瘋狂的想法。”  對照實驗意外收獲，單腳跳分子跳出不曾設(shè)想的路
出于化學(xué)背景和對蛋白的興趣，慶雨佳博士期間選擇用蛋白納米孔作為微型反應(yīng)器，研究單分子尺度上的化學(xué)反應(yīng)，特別是在納米限域內(nèi)的聚合物上進(jìn)行可控化學(xué)反應(yīng)。 在攻堅自己的主課題時，慶雨佳進(jìn)行的一個對照實驗涉及用含半胱氨酸的蛋白納米孔切斷一個含有二硫鍵的聚合物。 因為這個對照實驗產(chǎn)生的電流信號很有趣，慶雨佳就在這個基礎(chǔ)上，針對一些蛋白和聚合物結(jié)構(gòu)做了一些變化，意外地觀測到了方向性極強(qiáng)的單分子運動。 后續(xù)的深入研究于 2018 年和 2019 年分別發(fā)表在 Science 和 Nat. Nanotechnol. 期刊上，該研究成果突破了主流化學(xué)“步行分子（molecular walkers）”這一大設(shè)計挑戰(zhàn)，即無法沿著一個既定軌道進(jìn)行多步、長距離定向移動[1]。 “也許這是很難在日常生活中想象的困難，人可以向著一個方向走，汽車踩油門就往前開，但是分子層面的運動本身就是無序的，就算固定在一個一維軌道上，一個分子也經(jīng)常是進(jìn)兩步退三步。” 
慶雨佳在蛋白納米孔- α -溶血素內(nèi)部設(shè)計了一條半胱氨酸軌道。當(dāng)一個巰基修飾的大分子（比如 DNA）與軌道上的巰基共價連接后，就可以在電場內(nèi)通過巰基-二硫鍵交換反應(yīng)實現(xiàn)多步定向移動。 初步實驗分析顯示，該分子定向移動有兩個主要驅(qū)動力，第一，納米孔孔內(nèi)部施加的電場促進(jìn)順勢而下的帶電聚合物（DNA）移動；第二，從納米限域內(nèi)釋放對聚合物的構(gòu)造限制造成的熵增。
他們?yōu)檫@個分子取名為“單腳跳分子（molecular hopper）”，因為它不同于傳統(tǒng)的兩條腿走路的“步行分子（molecular walkers）”，以非常簡單的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)了一條腿（化學(xué)鍵）移動，“93 分鐘內(nèi)可在半胱氨酸軌道上前進(jìn) 249 步”。
該團(tuán)隊的單腳跳分子可以在一個軌道上來回定向移動，并且保持共價連接不脫離軌道，理論上可以進(jìn)行無限長的分子運動。因此，只要實驗形成的脂質(zhì)雙層膜足夠穩(wěn)定，就可以進(jìn)行長時間電流記錄，實現(xiàn)對單分子移動的持續(xù)觀測。 單腳跳分子跳出無酶生物大分子測序新可能
因為單腳跳分子優(yōu)越的性能，慶雨佳開始思考使用它替代酶進(jìn)行單分子生物大分子測序的可能性，并在 2018 年的工作中進(jìn)行了初步驗證。
在剛剛上線 JACS  的研究成果中，慶雨佳以 DNA 為被測物確立了這一套基于化學(xué)反應(yīng)的無酶體系，展示了在生物大分子測序方面的潛力。  慶雨佳表示：“雖然化學(xué)定向移動系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用比較遙遠(yuǎn)，但是從基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用前景來說，我認(rèn)為是一個具有獨特趣味的課題。短期內(nèi)，納米孔平臺上還有很多可能性，包括建立多種大分子的單分子移動表征；長期我們計劃探索二維平面上的分子移動?！?/span>
廣泛使用的第二代測序技術(shù)（Next-generation Sequencing, NGS）具有出色的通量優(yōu)勢，而納米孔測序技術(shù)特點是單分子分析與長讀長。
慶雨佳認(rèn)為，將兩者優(yōu)勢結(jié)合是測序技術(shù)升級的方向，基于化學(xué)反應(yīng)的分子定向運動具有巨大的平行化潛力，理論上，微米尺寸的芯片上可以集成百萬個平行化學(xué)軌道。
當(dāng)然，如何實現(xiàn)二維平面上的分子移動并建立適配的單分子傳感系統(tǒng)是未來會面臨的重大挑戰(zhàn)。 敢做夢才能圓夢，對納米孔做更有趣的研究
2019 年，慶雨佳在布拉格舉辦的“夢想化學(xué)獎（Dream Chemistry Award）”決賽中捧回獎杯，從全球數(shù)百位被提名的年輕化學(xué)家中脫穎而出。而在前一年，慶雨佳剛剛在阿姆斯特丹舉辦的第九屆“Reaxys 博士大獎 （Reaxys PhD Prize）”比賽中成為至今唯一一名女性冠軍獲得者。
值得一提的是，“夢想化學(xué)獎”是一個非常獨特的國際比賽，它鼓勵青年化學(xué)家“做夢”，思考如何用數(shù)十年作為時間維度來解決一個化學(xué)相關(guān)的問題。主辦方的兩位科學(xué)家羅伯特·霍利斯特（Robert Holyst）和帕維爾·榮格沃斯（Pavel Jungwirth）還頗為用心地給參賽者設(shè)計了如“思維的水珠滴落”一樣的獎杯。
 慶雨佳表示：“我很喜歡評委會的頒獎詞，說我的項目是‘head in the clouds and feet on the ground’，聽起來是個非常理想的科研風(fēng)格?！?/span> 慶雨佳參加“夢想化學(xué)獎”提交的項目是用化學(xué)方法實現(xiàn)通用型平行化的生物大分子單分子測序，旨在創(chuàng)造一種通用工具，用于平行測序和分析具有豐富序列信息的聚合物分子，這種工具無疑會對生物醫(yī)學(xué)研究具有重要價值。
慶雨佳表示：“這是個很不切實際的夢想，但幸運的是單腳跳分子是一個很好的起始點，在原型系統(tǒng)上可以做很多工作?！闭缂{米孔測序技術(shù)走過數(shù)十年從空想變?yōu)楝F(xiàn)實，年輕學(xué)者的化學(xué)夢想也值得時間考驗[3]。 牛津納米孔公司（Oxford Nanopore Technologies, ONT）剛成立的時候，并沒有立足解決核酸測序問題；成立 10 年后才有了第一臺樣機(jī)；16 年后的現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，本月登陸倫敦證交所，上市一周后市值約 40 億英鎊。
從科學(xué)的角度來說，起初業(yè)界認(rèn)為需要使用非常狹窄的單一讀取頭（single reading head）的蛋白孔作為納米傳感器，近期卻驗證了多個讀取頭可以收集更多信息；ONT 樣機(jī)剛出時，大多數(shù)人認(rèn)為就算納米孔測序可行，測序的精度很難提升，不具有競爭性，但是現(xiàn)如今借助機(jī)器學(xué)習(xí)，算法不斷完善，正確率一直在被刷新。
一個技術(shù)的發(fā)展，就是不斷推翻認(rèn)知，化不可能為可能。慶雨佳很高興 ONT 一如既往地資助了很多基礎(chǔ)科研項目，作為受益的科研工作者，她希望能做出更有趣的研究，與同行及該領(lǐng)域一同前進(jìn)。
科研進(jìn)展并非線性，多思考多嘗試遇見未知的自己
復(fù)盤自己的學(xué)術(shù)生涯，慶雨佳表示：“有時候科研的進(jìn)展并非線性，失敗是常態(tài)，走兩步退三步也很正常，我到第三年還經(jīng)常覺得自己難以畢業(yè)，但是這不妨礙我繼續(xù)換著花樣做實驗，多想多嘗試總歸不是壞事。
當(dāng)我與許多履歷更加精彩的年輕科學(xué)家們交流時，他們也會分享自己的挫折經(jīng)歷，給我很多鼓勵。”
導(dǎo)師曾對慶雨佳這樣講，“幸運只眷顧有準(zhǔn)備的人，如果一個學(xué)生一直朝一個方向前進(jìn)，雖然最終不一定會到達(dá)一開始設(shè)立的目標(biāo)，也總能有所成就的。”  慶雨佳懷疑這是一個幸存者偏差的描述，也曾問過導(dǎo)師這樣的成功率有多少？導(dǎo)師當(dāng)時笑著說“90%，不，95% 吧？”。 在科研工作中，慶雨佳一直希望能盡量做到兩點，一是多思考，二是多嘗試，找到有效且適合自己的路子。
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