对于一个青年科研工作者来说，能在一年多的时间内，以第一作者身份连续在顶级期刊Angew、Sicence、Nature Nanotechnology 上发表学术论文，并接受Nature Chemistry的个人专访，已经是难以企及的人生巅峰了。但是对于牛津大学的博士后Yujia Qing（图 1）来说，她的化学梦想才刚刚开始，发表在Sicence上的文章，也仅仅是为这个梦想作了一个最初的开题和铺垫。
▲ 图 1. 牛津大学博士后 Yujia Qing
图片来源：Nature Chemistry [1]
这是一个足以改变未来的超级测序梦。2019年12月，在捷克科学院举行的 “梦想化学奖” 竞赛中，来自全世界的顶尖青年科学家进行了激烈角逐，他们阐释了自己在化学及交叉学科领域有远见和潜力的研究方案，这些方案都将对未来世界产生积极变化。最终，Yujia Qing以“测序生命”为题的研究方案拔得头筹，获得2019年“梦想化学奖” (图 2)。
▲ 图 2. 在2019 “梦想化学奖”竞赛现场的Yujia Qing
图片来源：网络[2]
这个梦想为何会得到众多著名科学家组成的评委团青睐呢？众所周知，DNA是富含重要生命信息的生物聚合物，而RNA、蛋白质、多糖这一系列生物聚合物也富含生命信息。虽然现代生物测序技术经过几十年的发展更新换代极快，却主要体现在DNA、RNA测序的进步上。这样的进步并不能完全满足未来生物医学的需求，因为DNA、RNA没有讲完生命的全部故事，还有一些重要故事情节蕴藏在蛋白质、多糖中。所以，Yujia Qing希望设计开发出能够对生命体内包括DNA、RNA、蛋白质和多糖在内的所有生物聚合物，同时进行测序的超级测序仪。如果这样梦想实现，我们对生物信息的理解将上升到一个全新的层次，这对生物医学发展是革命性的突破。
作为迈向这个梦想的坚实一步，2018年，Yujia Qing 在Science上发表了一篇文章 “Directional control of a processive molecular hopper”。阐述了一种定向可控，持续性运行的纳米级分子送料斗（molecular hopper）。
Directional control of a processive molecular hopper
DOI: 10.1126/science.aat3872
在DNA复制过程中，DNA聚合酶能持续性整合数以千计的核苷酸，而各种分子马达，如驱动蛋白和动力蛋白，也能沿着微管定向运动上百步。所以，持续性是生物分子机器设计的核心问题。多年以来，科学家们都在为设计出能够真正持续定向运动，并执行搬运物质功能的分子机器而努力。对于超级测序仪来说，这样的分子机器是一个非常重要的配件，它像一台微型卡车，能够装载DNA等生物聚合物，通过定向运动参与测序。为此，Yujia Qing团队开发了一种单足运料斗，以动态共价键方式沿蛋白轨道运行，并具备强大的持续性（图 3）。
▲ 图 3. 装载“货物”的分子运料斗通过动态共价键沿轨道持续运行
图片来源：Science [3]
这个运料斗的方向受到外部电位的控制，轨道被“铺设”于蛋白质-a-溶血素（aHL）的纳米孔内，轨道“枕木”由一系列面向b-折叠桶内腔的半胱氨酸位点组成。每3个参与运料斗前进的硫原子以近线性构型排列，以执行SN2反应。运料斗通过硫醇-二硫化物交换反应定向运行。其装载的“货物”（DNA）受b-折叠桶内的电场力牵引前进。整个机制阻止了分子机器后退和跨步的发生，运料斗没有发现脱轨。运料斗的“脚”倾向于前进化的反应，导致每一步运行都是化学定向和自主的，不需要化学燃料（图 4）。
▲ 图 4. a-溶血素及其b-折叠桶内腔的半胱氨酸位点（左），每3个硫原子的近线性构型排列促进运料斗前进（右）
图片来源：Science [3]
由于上述研究表明运料斗运动受电压控制，具有定向性和持续性。他们接着设计实验，在+150 mV下，对携带寡核苷酸的分子运料斗在不同轨道条件下运行进行实时监控分析。结果表明，他们的系统能够完全控制运料斗方向，并且创造了93min内在半胱氨酸轨道中前进249步的新记录。这是一个了不起的成就，因为以往合成的小分子步行机器定向前进还从未有超过10步的。即使是野生型运动蛋白，通常前进的步数也只有75至175步（图 5）。
▲ 图 5. 电压操控单个分子运料斗的前进
图片来源：Science [3]
他们的研究还发现，电位虽不是运料斗前进的唯一驱动力，但是在拉伸DNA越过障碍定向运行，促使硫原子参与前进反应上发挥着关键作用。若每3个参与硫原子产生不利的共线性排列，运料斗有脱离轨道的风险。这一运料斗系统具备辨别核酸中碱基的潜力，这是精准测序所需要的能力。在纳米孔内维持共价键并转移DNA“货物”为纳米装置牵引核酸进行测序提供了潜在的化学方法。这在本实验中得到概念性验证。
对于Yujia Qing来说，在研发纳米级超级测序仪的道路上，这只是一个开始，目前，他们已经能够利用设计的分子运料斗在DNA和多肽模型中实现单个核苷酸和氨基酸水平的识别。相信在不远的将来，Yujia Qing会在这一化学梦想中乘风破浪，取得令人惊叹的成就。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0451-2
https://www.uochb.cz/en/news/143/dream-chemistry-award-2019-goes-to-yujia-qing-of-university-of-oxford
https://science.sciencemag.org/content/361/6405/908.full
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com