随着科学家对生命奥秘的探索越来越小，他们发明了工具来帮助他们理解观察到的东西。由于新一代测序技术的商业化发展，确定DNA和RNA分子的身份现在已变得司空见惯，但在几乎所有生物过程中都扮演着关键角色的蛋白质却并非如此。蛋白质比DNA和RNA复杂得多，而且经常经过化学修饰，这使得在样本中容易识别单个蛋白质(单分子蛋白质组学)的目标很难实现。

现在，在哈佛大学威斯研究所(Wyss Institute at Harvard University)、哈佛医学院(HMS)布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute at Harvard Medical School)和波士顿儿童医院(Boston Children 's Hospital)的分子机器人计划(Molecular Robotics Initiative)工作的科学家们利用生命本身的基本物质DNA，创造出了可能是世界上最小的测量蛋白质的尺子。

这种被称为“DNA纳米开关卡钳”(DNC)的技术使研究人员能够通过施加少量的力来高精度地测量单肽(蛋白质的构建块)的距离。通过对同一分子快速进行多次距离测量，DNC创建了一个独特的“指纹”，可用于在后续实验中识别它。这一成果发表在《Nature Nanotechnology》杂志上。

“当你试图理解生物学中的某些东西时，有两种主要的探究方法:你可以观察你的研究对象处于自然的状态，或者你可以干扰它，看它如何反应。观察可以提供很多伟大的生物信息,但有时对某事最好的学习方式是身体与它交互,”共同通讯作者Wesley Wong说。“通过施加力来确定肽分子中氨基酸的模式是正在进行的科学探索中的一种新范式，这种技术将使我们能够像现在测序DNA一样轻松地对蛋白质进行测序。”

使用原力

DNC是基于DNA纳米开关的基础技术:单链DNA，在其长度上的多个点上附着分子“把手”。当两个把手结合在一起时，就会在DNA链中形成一个环，DNA链的总长度就会缩短。当用力将把手拉开时，绳子就会回到原来的长度。在环状和非环状状态下的长度的差异反映了环状的大小，从而也反映了手柄之间的距离。

研究小组意识到，他们可以把DNA纳米开关更进一步:如果他们把把手设计成与生物分子结合，这些把手就可以像卡尺的两个尖端一样有效地“夹住”分子，而不是相互结合。通过测量在两个把手之间添加目标分子如何改变DNA纳米开关在环状和非环状状态下的总长度，研究小组假设他们可以有效地测量分子的大小。

“在某些方面，DNA纳米开关利用了一种最经典的测量物体的机械方法:只要对物体施加力，看看它是如何做出反应的，”博士后研究员Darren Yang说。“这种方法我们在单分子蛋白质组学领域还没有真正看到过，因为对如此小的物体施加作用力是非常具有挑战性的。但我们迎接了挑战。”

为了将基于力的新测量技术的想法变为现实，Yang和他的同事首先将两种不同类型的手柄连接到目标分子上：一个“强”手柄将分子牢牢固定在DNC的一端，另一个“弱”手柄可以连接到DNC的另一端。然后，他们将DNC的两端拴在两个悬浮在激光束中的“光学捕获”珠子上。通过将珠子移近，它们诱导目标分子的一个弱手柄与DNC结合，形成环状状态。当他们通过将珠子进一步分开来增加力时，脆弱的手柄最终释放了它的键，使DNC恢复到其较长的未操作状态。

该团队首先在简单的单链DNA（ssDNA）分子上测试了这项技术，并确认DNC的环态和非环态之间距离测量值的变化与目标分子的长度直接相关。这些长度变化可以用埃级精度（比DNA双螺旋的宽度小十倍）来测量，从而能够识别出与单核苷酸一样小的长度变化。

由于目标分子包含多个可与DNC结合的弱手柄，重复的结合和断裂这些手柄的循环会在强手柄和弱手柄之间产生一系列距离测量值，这些测量值对于每个被测分子都是唯一的。这种“指纹”可用于识别样本中的已知分子，或推断未知分子的结构信息。

探索蛋白质

在确认DNC可以可靠地测量DNA分子的大小后，研究人员将注意力转移到了他们真正的目标：蛋白质。他们设计了一种长度和序列已知的合成肽（氨基酸短链），重复了这个实验，通过强手柄将其连接到DNC的一端，并通过施加不同的力反复连接和破坏其弱手柄与DNC之间的键。他们发现，他们的工具测量的强手柄和弱手柄之间的所有距离都与基于DNC长度和肽中氨基酸长度的预期距离相匹配。当他们使用DNC测量一种称为NOXA BH3的天然线性化肽时，也得到了类似的结果。

这一过程也为每个肽生成了独特的测量指纹。该团队创建了一个计算机模型，预测使用这种方法可以唯一识别多少人类蛋白质，并发现常用蛋白质数据库中超过75%的蛋白质可以通过指纹识别，概率至少为90%。

Wyss研究所和BCH的博士后prakash Shrestha博士说:“我们实际上对这种技术的效果感到有些惊讶。光镊已经存在了几十年，在环状和非环状状态之间循环DNA已经存在了大约10年，我们不确定是否可以通过结合这些想法获得足够高分辨率的测量。但事实证明，这些指纹对识别蛋白质非常有效。”

识别单个蛋白质分子本身是一项令人印象深刻的成就，但能够同时识别多个蛋白质是单分子蛋白质组学真正的圣杯。研究小组进一步证明，通过用磁性镊子系统取代光学珠，他们能够并行测量多个不同的多肽，并确定不同分子的相对浓度。

“由于规模和分辨率方面的挑战，单分子蛋白质组学在很大程度上仍然是一个白日梦。我们目前的工作表明，基于力的序列指纹有可能实现这个梦想，”共同通讯作者William Shih博士说，他是Wyss研究所的核心教员，也是HMS和Dana-Farber癌症研究所的教授。“我们的最终目标是不仅高效地读取蛋白质序列，而且以高通量的方式读取蛋白质结构。”