[发明专利]基于纳米孔测序的力谱分析方法和分析装置

说明书

本发明提供了一种用于纳米孔的差分力谱分析装置，包括：具有电解质溶液的溶液池，所述电解质溶液包含具有已知碱基序列的生物分子；介质膜，用于容纳待分析的纳米孔并将溶液池分隔为两个腔室；电场发生器，用于产生施加于溶液池的电场；电信号检测器，用于当生物分子在电场的驱动下穿过纳米孔时检测所产生的电流数据；以及控制模块，用于根据电流数据获得生物分子的每个碱基穿过纳米孔的滞留时间，从而确定能够表征所述纳米孔的至少一种特性的纳米孔与生物分子相互作用的差分力分布。本发明所述的方法和装置能够高精度定量计算单个碱基与蛋白质相互作用，以及进一步精确确定蛋白质内部微观结构特征。

技术领域

本发明涉及生物分子领域，具体涉及基于纳米孔测序技术获得蛋白内部结构的力谱分析方法和分析装置。

背景技术

纳米孔是指二维薄膜上直径为纳米尺度的小孔，基于纳米孔的DNA测序技术日臻成熟。纳米孔测序技术以绝缘介质膜隔绝电解质溶液(离子液)，分隔为两个电解质溶液池，其中绝缘介质膜上存在一纳米尺度小孔。该纳米孔是唯一的离子、分子通道。当外加电压时，电解质溶液中离子受电场力而定向移动产生电流。当电解质溶液中存在DNA分子时，DNA分子也会受到电场力的驱动而穿过纳米孔。在纳米孔测序操作期间，DNA双链在分子马达(马达分子蛋白)的作用下与镶嵌在生物膜上的纳米孔蛋白结合并解螺旋，解螺旋后的一支DNA单链由于在纳米孔两侧所施加的偏置电压作用，被强迫以一定的速率通过纳米孔。DNA分子穿孔时会对纳米孔中的离子电流产生阻塞效应，即跨屏障的电流会由于例如不同碱基化学结构存在差异导致的阻塞程度而发生变化，从而形成可探测的不同电学信号。来自该电流大小信号以及电流大小的变化信号可以使用放大器或其他已知的信号检测设备进行测量，在记录的电流信号中会看到一个突变，即所谓的阻孔电流。由于每个碱基的尺寸大小不同，对应的阻孔电流也有差异，由此，根据测量结果，由特定算法对其进行判定即可获得相应碱基序列的排列信息，完成序列的实时测定。

纳米孔测序技术按照纳米孔材质可以划分为两大类，一类是固态纳米孔，另一类是生物纳米孔。固态纳米孔由于其对于DNA分子的运动控制还不理想，尚无法实现碱基序列的测定。生物纳米孔一般由天然或改造过的蛋白质构成，生物纳米孔对于DNA分子的运动控制主要来自于分子马达，分子马达可以令DNA分子步进式运动，致使单个碱基在纳米孔中滞留时间达数毫秒。目前已有基于生物纳米孔的商品化测序仪面世，例如牛津纳米孔技术公司的纳米孔测序仪系列产品。然而，目前纳米孔测序仪的应用中缺少能够对DNA序列和纳米孔蛋白相互作用进行精确计算的手段，不具备进一步精细化描述纳米孔蛋白内部结构的微观特征的能力。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种用于纳米孔的差分力谱分析装置，包括：

具有电解质溶液的溶液池，所述电解质溶液包含具有已知碱基序列的至少一种生物分子，

介质膜，用于容纳待分析的纳米孔并将所述溶液池分隔为两个腔室，

电场发生器，用于产生施加于所述溶液池的电场，

电信号检测器，用于当所述至少一种生物分子在电场的驱动下穿过所述纳米孔时检测所产生的电流数据，以及

控制模块，用于根据所述电流数据获得所述至少一种生物分子的每个碱基穿过所述纳米孔的滞留时间，从而确定能够表征所述纳米孔的至少一种特性的所述纳米孔与所述至少一种生物分子相互作用的差分力分布。

优选地，所述控制模块根据碱基解析算法，判定并生成所述电流数据对应的解析碱基序列并获得其中每一个碱基的所述滞留时间，以及根据序列比对算法选择与所述解析碱基序列最接近的所述已知碱基序列，从而将所述解析碱基序列的所述每一个碱基的所述滞留时间映射到所述已知碱基序列。

优选地，其中所述碱基解析算法基于隐马氏模型。

优选地，仅保留所获得的解析碱基序列的中段的数据而丢弃两端的数据。