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(shí)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(dòng)單個(gè) 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(jiǎng)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(tái)”，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(shí)，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(shí)間管理或者個(gè)人自律方面有多么明顯的優(yōu)勢，甚至應(yīng)該更糟一點(diǎn)?；仡櫸业牟┦窟^程，我最大的感受是幸運(yùn)。有幸加入了一個(gè)自由度很高、很崇尚基礎(chǔ)研究與多學(xué)科交叉的組?！?/span>
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(huì)指點(diǎn)一些大的研究方向，博士入學(xué)后學(xué)生有幾周靈活的時(shí)間去查文獻(xiàn)定課題。導(dǎo)師推薦主課題花 80% 的時(shí)間，另外 20% 的時(shí)間可以用來嘗試其他課題，甚至是一些瘋狂的想法。”  對(duì)照實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jiān)自己的主課題時(shí)，慶雨佳進(jìn)行的一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)涉及用含半胱氨酸的蛋白納米孔切斷一個(gè)含有二硫鍵的聚合物。 因?yàn)檫@個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的電流信號(hào)很有趣，慶雨佳就在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對(duì)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(yùn)動(dòng)。 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(jì)挑戰(zhàn)，即無法沿著一個(gè)既定軌道進(jìn)行多步、長距離定向移動(dòng)[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(gè)方向走，汽車踩油門就往前開，但是分子層面的運(yùn)動(dòng)本身就是無序的，就算固定在一個(gè)一維軌道上，一個(gè)分子也經(jīng)常是進(jìn)兩步退三步?！?/span> 
慶雨佳在蛋白納米孔- α -溶血素內(nèi)部設(shè)計(jì)了一條半胱氨酸軌道。當(dāng)一個(gè)巰基修飾的大分子（比如 DNA）與軌道上的巰基共價(jià)連接后，就可以在電場內(nèi)通過巰基-二硫鍵交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)多步定向移動(dòng)。 初步實(shí)驗(yàn)分析顯示，該分子定向移動(dòng)有兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)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(dòng)；第二，從納米限域內(nèi)釋放對(duì)聚合物的構(gòu)造限制造成的熵增。
他們?yōu)檫@個(gè)分子取名為“單腳跳分子（molecular hopper）”，因?yàn)樗煌趥鹘y(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(shí)現(xiàn)了一條腿（化學(xué)鍵）移動(dòng)，“93 分鐘內(nèi)可在半胱氨酸軌道上前進(jìn) 249 步”。
該團(tuán)隊(duì)的單腳跳分子可以在一個(gè)軌道上來回定向移動(dòng)，并且保持共價(jià)連接不脫離軌道，理論上可以進(jìn)行無限長的分子運(yùn)動(dòng)。因此，只要實(shí)驗(yàn)形成的脂質(zhì)雙層膜足夠穩(wěn)定，就可以進(jìn)行長時(shí)間電流記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子移動(dòng)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?yàn)閱文_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(yàn)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(dòng)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(gè)具有獨(dú)特趣味的課題。短期內(nèi)，納米孔平臺(tái)上還有很多可能性，包括建立多種大分子的單分子移動(dòng)表征；長期我們計(jì)劃探索二維平面上的分子移動(dòng)?！?/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(diǎn)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(jí)的方向，基于化學(xué)反應(yīng)的分子定向運(yùn)動(dòng)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(gè)平行化學(xué)軌道。
當(dāng)然，如何實(shí)現(xiàn)二維平面上的分子移動(dòng)并建立適配的單分子傳感系統(tǒng)是未來會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)。 敢做夢才能圓夢，對(duì)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(jiǎng)（Dream Chemistry Award）”決賽中捧回獎(jiǎng)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(jiǎng) （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(jiǎng)”是一個(gè)非常獨(dú)特的國際比賽，它鼓勵(lì)青年化學(xué)家“做夢”，思考如何用數(shù)十年作為時(shí)間維度來解決一個(gè)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(jì)了如“思維的水珠滴落”一樣的獎(jiǎng)杯。
 慶雨佳表示：“我很喜歡評(píng)委會(huì)的頒獎(jiǎng)詞，說我的項(xiàng)目是‘head in the clouds and feet on the ground’，聽起來是個(gè)非常理想的科研風(fēng)格。” 慶雨佳參加“夢想化學(xué)獎(jiǎng)”提交的項(xiàng)目是用化學(xué)方法實(shí)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(huì)對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究具有重要價(jià)值。
慶雨佳表示：“這是個(gè)很不切實(shí)際的夢想，但幸運(yùn)的是單腳跳分子是一個(gè)很好的起始點(diǎn)，在原型系統(tǒng)上可以做很多工作。”正如納米孔測序技術(shù)走過數(shù)十年從空想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，年輕學(xué)者的化學(xué)夢想也值得時(shí)間考驗(yàn)[3]。 牛津納米孔公司（Oxford Nanopore Technologies, ONT）剛成立的時(shí)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(tái)樣機(jī)；16 年后的現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在各個(gè)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(yàn)證了多個(gè)讀取頭可以收集更多信息；ONT 樣機(jī)剛出時(shí)，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(gè)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(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)，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(shí)，他們也會(huì)分享自己的挫折經(jīng)歷，給我很多鼓勵(lì)?！?/span>
導(dǎo)師曾對(duì)慶雨佳這樣講，“幸運(yùn)只眷顧有準(zhǔn)備的人，如果一個(gè)學(xué)生一直朝一個(gè)方向前進(jìn)，雖然最終不一定會(huì)到達(dá)一開始設(shè)立的目標(biāo)，也總能有所成就的?！?/span>  慶雨佳懷疑這是一個(gè)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(shí)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(diǎn)，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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