将危险毒素转化为生物传感器

某些类型的细菌具有向其他细胞打孔并杀死它们的能力。他们通过释放被称为“成孔毒素”(PFT)的特殊蛋白质来实现此目的，该蛋白质锁存在细胞膜上并形成穿过细胞的管状通道。跨膜的这个孔(结构?)称为孔。通过多个PFT刺穿，目标细胞自毁。

但是，除细菌感染外，PFT引起了人们的极大兴趣。它们形成的纳米级孔用于“感测”生物分子：诸如DNA或RNA的生物分子像受电压控制的线一样穿过纳米孔，其各个成分(例如DNA中的核酸)发出不同的信息可以读出的电信号。实际上，纳米孔感测已经作为DNA或RNA测序的主要工具投放市场。

EPFL的Matteo Dal Peraro领导的科学家在Nature Communications上发表的文章研究了另一种主要的PFT，该PFT可有效地用于更复杂的传感，例如蛋白质测序。毒素是气溶素，由嗜水气单胞菌细菌产生，是在许多生物中发现的PFT主要家族的“创始成员”。

溶血素的主要优点之一是它形成的孔非常狭窄，可以分辨出比其他毒素要高得多的分子。先前的研究表明，气溶素可用于“感知”几种生物分子，但几乎没有关于气溶素的结构与其分子感测能力之间关系的研究。

研究人员首先使用气溶素的结构模型通过计算机模拟研究其结构。气溶素是一种蛋白质，由氨基酸组成，该模型帮助科学家们了解了这些氨基酸通常如何影响气溶素的功能。

一旦了解了这种关系，研究人员便开始从战略上改变计算机模型中的不同氨基酸。然后，该模型预测了每种变化对溶血素的整体功能的可能影响。

在计算过程结束时，这项工作的主要作者Chan Cao博士制作了16个经过基因工程改造的“突变”气溶胶蛋白孔，将其嵌入脂质双层中以模拟它们在细胞膜中的位置，并进行了各种测量(单通道记录和分子易位实验)，以了解如何在分子水平上调节气溶素孔的离子电导率，离子选择性和易位特性。

通过这种方法，研究人员终于找到了驱动溶血素的结构与功能之间关系的因素：溶血素的帽。溶血素的孔不仅是穿过膜的管，而且还具有帽状结构，可以吸引并束缚目标分子并通过孔的通道“拉动”它。研究发现，决定这一关系的是该帽区域的静电。

Dal Peraro说：“通过了解溶菌素孔的结构如何与其功能联系的细节，我们现在可以设计出用于各种传感应用的定制孔。”“这些将为测序DNA，蛋白质及其翻译后修饰的生物分子开辟新的，未开发的机会，并有望在基因测序和诊断用生物标志物检测中应用。”科学家已经为基因工程化的溶菌素孔的测序和表征申请了专利。

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