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从条带到测序：Quantum-Si 将首个单分子蛋白质测序平台商业化

iSynBio造物

2024-01-02

导读：高通量测序的先驱 Jonathan Rothberg 的最新创新，Platinum TM能够大规模地进行蛋白质测序。

2000年，Jonathan Rothberg（乔纳森·罗斯伯格）创建的454 Life Sciences公司开始改变DNA测序领域。

作为生物科技领域的创新者，Jonathan Rothberg被誉为“史蒂夫·乔布斯式的人物”，他的最新项目Quantum-Si Incorporated （QSI）旨在引领肽测序领域的变革。

QSI公司推出了Platinum，这是第一个下一代单分子蛋白质测序平台。该仪器于2023年第一季度（Q1）初开始上市，旨在为科学界提供更高效、精确的蛋白质测序解决方案。

454生命科学公司（454 Life Sciences，隶属于CuraGen集团）于2005年推出了GS20测序仪，该仪器是首个商业化的DNA高通量测序（Next Generation Sequencing，NGS）平台。其测序反应采用了焦磷酸测序法。2007年3月，有着百年历史的老牌公司罗氏（Hoffmann-La Roche）旗下的罗氏诊断（Roche Diagnostics）以1.55亿美元收购了454生命科学公司。

2013 年创办 QSI 的 Jonathan Rothberg 在接受采访时曾说道：“癌症是一种基因组 DNA 疾病。因此，下一代 DNA 测序改变了我们对癌症的理解、诊断和治疗。同样地，大多数复杂疾病都是蛋白质组疾病，因此 QSI 的下一代蛋白质测序也将具有变革性。”

Jonathan Rothberg博士，他是大规模并行测序的发明者，454 Life Sciences公司的创始人，2005年底，454公司推出了革命性的基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序系统——Genome Sequencer 20 System，是边合成边测序方法的先行者。

复杂的蛋白质字母表

蛋白质是生物的基本功能单位，它是由基因所编码，由氨基酸所组成。

在大多数医学专业和器官系统中，蛋白质的故障都会导致疾病。有时候，这些疾病的信息可能仅仅存在于蛋白质中，而并未在DNA中有所体现。

例如，蛋白质糖基化是高等真核生物中一种极为普遍且重要的蛋白质翻译后修饰方式。当糖基化过程出现异常时，可能会导致多种严重的人类疾病。然而，想要获取这些信息，唯一的途径就是对蛋白质进行深入的测序和分析。

那么，为什么在DNA测序已经普及了20年的今天，蛋白质测序却仍然停留在初级阶段，人们对于蛋白质的认识仍停留在仅能进行电泳和Western blot分析（也称为免疫印迹，是一种根据抗原抗体的特异性结合检测复杂样品中的某种蛋白的方法）的层面？

QSI研究负责人Brian Reed认为，这一切的根本原因在于DNA可以被扩增并且仅仅只具有四个字母（A，T，C，G）。“仅凭这两项就大大简化了 DNA 测序的技术障碍并降低了成本，” Reed说。

“这两点极大地简化了DNA测序的技术难题并降低了成本，”Reed说。“首先，蛋白质测序从根本上需要单分子灵敏度。其次，蛋白质无法通过PCR被扩增，而且编码蛋白质的常规氨基酸有20种，且其中大部分氨基酸都可以被修饰（糖基化，磷酸化等）。这无疑增加了蛋白质测序的难度。”

Platinum背后的科学

为了开发 Platinum，QSI 团队必须克服几个工程障碍。首先，他们必须设计一种新型、非常小、价格实惠的激光器，这个激光器能适合仪器内部并与半导体芯片协同工作。其次，他们还需要开发了一种能够实时进行的蛋白质测序方法。

Quantum-Si的第一个下一代单分子蛋白质测序平台

Quantum-Si提出的Time Domain SequencingTM技术是上述实时蛋白质测序的解决方案。

该技术通过使用染料标记的N端氨基酸“识别器”来实时探测各个肽，同时利用氨肽酶进行切割。

随后，为了获得肽序列，芯片会测量荧光强度及其持续时间。此外，基于识别器的动力学特征，该技术还能找出单个氨基酸取代和翻译后修饰的变化。

Reed及其同事在2022年的一篇《科学》论文中展示了这种蛋白质测序方法的概念验证。

（文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo7651?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed）

Reed及其同事提出了一个创新的蛋白质单分子测序策略。

该策略包括将蛋白质打断为短肽，并将短肽限制在半导体芯片上的纳米尺寸反应室内。

通过使用染色标记的识别物与N端残基的结合和解离的动力学（表现为脉冲信号变化），可以检测到短肽的N端残基（N-terminal amino acid, NAA）。

随后，氨基肽酶（aminopeptidase）将依次将NAA从短肽上移除，从而暴露出新的NAA供识别物结合。

研究人员在使用Platinum平台时，无需采取任何新颖的操作步骤，因为样品制备工作流程与质谱分析的工作流程十分相似。

“一旦你想对试管里的蛋白质进行测序，我们就会提供一个试剂盒和一个可以自动化的流程，可以将蛋白质消化成肽片段，就像你做质谱分析那样”，里德说。

“但是，我们不是在质谱仪上运行这些肽，而是通过一枚芯片。你只需将你的样品放置在芯片上，并将其放入仪器中，然后静待所有数据输出即可！”

一个新的市场

在开拓单分子蛋白质测序仪的新市场时，QSI将Platinum的商业化道路的首要目标确定为学术研究人员。

“尽管制药公司对我们表达了浓厚的兴趣，但我们认为先面向学术界人士推广可能更为理想。”Schneider指出：“我们期待在接下来的三四个月内，能够看到我们的单分子蛋白质测序仪被越来越多的出版物所采纳。在明年上半年，我们将会展开一系列的市场开发活动。”

Platinum的目标并非取代生物物理实验室中的光学仪器，而是以依赖这些工具的研究人员为服务对象。

Reed表示：“进行此类实验的客户对于未来能在这样一个小型设备上开展实验，无疑会感到极为高兴，这将使实验变得更为便捷。我们将蛋白质测序的使用视为蛋白质科学的一种新模式，Platinum作为一款卓越的创新工具，预计在明年开始看到第一批客户投入实践。”

原文链接：https://www.genengnews.com/gen-edge/from-smudge-to-sequence-quantum-si-commercializes-the-first-single-molecule-protein-ngs-platform/

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译者/未央

审核/莫十二

编辑/麦璇风

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