به تازگی محققان دانشگاه هاروارد، موسسه بلاواتنیک در دانشکده پزشکی هاروارد (HMS) و بیمارستان کودکان بوستون (BCH) ابزاری ساختند که می‌توان آن را کوچکترین خط‌کش مولکولی برای اندازه‌گیری پروتئین‌ها دانست.
تعیین هویت مولکول‌های DNA و RNA به لطف توسعه تجاری فناوری‌های تعیین توالی نسل بعدی به امری عادی تبدیل شده است، اما هنوز این امر در مورد پروتئین‌ها که تقریباً در همه فرایندهای زیستی نقش مهمی دارند صادق نیست. پروتئین‌ها بسیار پیچیده تر از DNA و RNA هستند و اغلب از نظر شیمیایی اصلاح می‌شوند و دستیابی به هدف تشخیص پروتئین‌های منفرد در یک نمونه (پروتئومیک تک مولکولی) را دشوار می‌سازد.
این فناوری که Calipers DNA Nanoswitch Calipers (DNC) نامیده می‌شود، محققان را قادر می‌سازد تا با اعمال مقدار کمی نیرو، اندازه‌گیری فاصله را روی پپتیدهای منفرد (بلوک‌های سازنده پروتئین‌ها) با دقت بالایی انجام دهند. با اندازه‌گیری سریع فاصله بر روی یک مولکول، DNC یک “اثر انگشت” منحصر به فرد ایجاد می‌کند که می‌تواند برای شناسایی آن ماده در آزمایش‌های بعدی استفاده شود. این دستاورد در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.
وقتی می خواهید چیزی را در زیست شناسی بفهمید، دو روش اصلی برای تحقیق وجود دارد: می‌توانید موضوع خود را در حالت طبیعی مشاهده کنید، یا می‌توانید آن را مختل کرده و نحوه واکنش آن را مشاهده کنید. مشاهدات می‌توانند اطلاعات زیستی زیادی را ارائه دهند، اما گاهی اوقات بهترین راه برای یادگیری در مورد چیزی این است که با آن تعامل فیزیکی داشته باشید. تعیین الگوی اسیدهای آمینه در یک مولکول پپتیدی با اعمال نیرو ما را قادر می‌سازد پروتئین‌ها را به آسانی توالی‌یابی کنیم.
DNC مبتنی بر فناوری نانوسوئیچ DNA است. نانوسوئیچ‌ها شامل رشته‌هایی از DNA هستند که مولکول‌های مورد علاقه می‌توانند به‌صورت راهبردی در مکان‌های مختلف در امتداد رشته به آن‌ها متصل شوند. برهمکنش بین این مولکول‌ها، مانند اتصال موفق یک ترکیب دارویی با هدف مورد نظر ، مانند گیرنده پروتئین بر روی سلول سرطانی، باعث می‌شود رشته DNA از شکل باز و خطی به حلقه بسته تغییر کند و طول رشته کوتاه می‌شود. هنگامی که نیرویی برای جدا کردن دسته‌ها اعمال شود، رشته به طول اولیه خود باز می‌گردد. تفاوت بین طول رشته در حالت‌های حلقه‌دار و بدون حلقه نشان‌دهنده اندازه حلقه و در نتیجه فاصله بین دسته‌ها است.
این تیم تحقیق متوجه شد که آن‌ها می‌توانند نانوسوئیچ‌های DNA را یک گام جلوتر ببرند: اگر آن‌ها یک مولکول زیستی مهندسی کنند و آن را روی رشته‌های DNA قرار دهند، می توانند مولکول را به طور موثری همانند کولیس اندازه‌گیری کنند.
دارن یانگ، نویسنده و پژوهشگر پسا دکتری در انستیتوی وایس هاروارد، می‌گوید: «از جهاتی، نانوسوئیچ‌های DNA از یکی از کلاسیک‌ترین روش‌های مکانیکی برای اندازه‌گیری اجسام استفاده می‌کند. به چیزی نیرو وارد کنید و ببینید که چگونه تغییر می‌کند. این رویکردی است که ما در زمینه پروتئومیک تک مولکولی استفاده نکرده‌ایم، زیرا اعمال نیرو به اجسام کوچک فوق‌العاده چالش برانگیز است. اما ما با این چالش کنار آمدیم.»
با تأیید اینکه DNC می‌تواند اندازه مولکول‌های DNA را به‌طور قابل اعتماد اندازه‌گیری کند، محققان تمرکز خود را بر روی هدف واقعی یعنی پروتئین‌ها متمرکز کردند. آن‌ها یک پپتید مصنوعی (یک زنجیره کوتاه از آمینو اسیدها) با طول و ترتیب مشخص طراحی کردند و آن را از طریق دسته محکم به یک انتهای DNC متصل کردند و پیوندهای بین دسته‌های ضعیف آن و DNC را بارها وصل و شکستند. با اعمال مقادیر مختلف نیرو آن‌ها دریافتند که تمام فاصله‌هایی که ابزار آن‌ها بین دسته‌های قوی و ضعیف اندازه‌گیری می‌کند با فاصله‌های مورد انتظار بر اساس طول DNC و طول اسیدهای آمینه در پپتید مطابقت دارد. آن‌ها همچنین با استفاده از DNC برای اندازه‌گیری یک پپتید خطی طبیعی به نام NOXA BH3 نتایج مشابهی دریافت کردند.
این فرایند همچنین اثر انگشت اندازه‌گیری منحصر به‌فردی را برای هر پپتید ایجاد کرد. این تیم یک مدل کامپیوتری برای پیش‌بینی تعداد پروتئین‌های انسانی را که می‌توان با استفاده از این روش به طور منحصر به فرد شناسایی کرد، ایجاد کردند و دریافتند که بیشتر پروتئین‌های موجود در پایگاه داده پروتئینی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند از طریق این اثر انگشت با احتمال بالا شناسایی شود.