一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法，所述方法为：基于纳米孔特征电流，通过一个或多个类球体，对蛋白质的构象进行形貌估计；其中，对于类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长；对于非类球形蛋白，采用多个类球体的连体进行形貌的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角、各类球体之间角度的关系，获得了每个类球体的轴长。该方法解决了现有技术中过孔电流难以反映蛋白质构象形貌特征的问题。孔电流难以反映蛋白质构象形貌特征的问题。孔电流难以反映蛋白质构象形貌特征的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法


[0001]本专利技术涉及纳米孔生物分子传感
，具体地，涉及一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法。

技术介绍

[0002]蛋白质的构象是其履行生物学功能的基础。探究蛋白质的构象以及不同构象态之间的变构路径，是阐释其结构
‑
功能关系的关键。随着纳米科技的发展，纳米孔传感技术在生物大分子探测领域中具有重要应用前景。纳米孔传感技术具有单分子、无标记、高通量等优点，已被成功用于蛋白质的研究中。当蛋白质在电泳作用下穿过纳米孔时，会因占位效应而改变纳米孔内的电导，形成特征的电流脉冲。该电流脉冲包含着蛋白质丰富的物理和化学信息，可在单分子层面鉴别蛋白质种类、构象和分子间相互作用。
[0003]然而，纳米孔传感技术在蛋白质构象检测中仍存在不足。首先，目前区分蛋白质不同构象的指标通常是过孔电流脉冲的强度幅值和时间宽度，难以反映蛋白质构象的形态学特征。其次，在蛋白质易位的过程中，过孔电流也受到蛋白质过孔取向的影响，特定情形下取向对电流的影响往往和构象的影响相当，导致无法直接采用过孔电流特征来区分蛋白质的不同构象。再次，厘清蛋白质取向对过孔电流的调制作用需首先控制蛋白质以不同取向过孔并有效反馈过孔电流，然而在纳米尺度操控蛋白质、在皮安量级探测电流在实验上存在技术难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法，以解决现有技术中过孔电流难以反映蛋白质构象形貌特征的问题。<br/>[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法，所述方法为：基于纳米孔特征电流，通过一个或多个类球体，对蛋白质的构象进行形貌估计；其中，对于类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长；对于非类球形蛋白，采用多个类球体的连体进行形貌的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角、各类球体之间角度的关系，获得了每个类球体的轴长。
[0006]本专利技术提供了一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法，其特征在于，所述方法为：基于纳米孔特征电流，通过一个或多个类球体，对蛋白质的构象进行形貌估计；其中，对于类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长；对于非类球形蛋白，采用多个类球体的连体进行形貌估计，通过解析相对阻塞电流和取向角、各类球体之间角度的关系，获得每个类球体的轴长。
[0007]作为本专利技术的优选方案，所述方法包括：
[0008]1)获得蛋白质晶体三维空间结构在纳米孔径向上的投影面积或外接圆的直径最
大和最小的方向作为2个特殊取向；
[0009]2)获得所述蛋白质晶体三维空间结构在纳米孔径向上的多个任意取向，并基于所述2个特殊取向计算任意取向的取向角；
[0010]3)选取与所述蛋白质晶体三维空间结构的尺寸相匹配的纳米孔，获得仅充满电解质溶液的纳米孔的过孔电流I0以及孔内阻塞有不同取向的所述蛋白质晶体三维空间结构时的过孔电流I，获得不同取向下所述蛋白质晶体三维空间结构对纳米孔的相对阻塞电流ΔI/I0，其中，ΔI＝I0‑
I；
[0011]4)对于类球形蛋白质，基于一个类球状体解析相对阻塞电流随取向角单一变量的变化规律，获得一个类球体的特征尺寸；
[0012]对于非类球形蛋白，基于多个类球状体解析相对阻塞电流随取向角、多个类球体之间夹角的双变量的变化规律，获得各类球体的特征尺寸；
[0013]5)基于最优拟合原则，确定各类球体的形状；
[0014]6)获得蛋白质的形貌。
[0015]作为本专利技术的优选方案，所述方法包括：在步骤1)中，特殊取向的选择方式包括：将所述蛋白质晶体三维空间结构置于三维空间坐标系下，将所述蛋白质晶体三维空间结构的形心与坐标轴圆点重合，沿三个坐标轴依次、分别步进旋转，最终选择所有旋转角度下所述蛋白质晶体三维空间结构在X
‑
Y平面上的最大和最小投影面积的方向，作为特殊取向。
[0016]作为本专利技术的优选方案，在步骤2)中，所述任意取向的选择方式包括：沿三个坐标轴依次任意旋转某角度，三次旋转的角度不全为360
·
k
°
，获得某任意取向，k为正整数。
[0017]作为本专利技术的优选方案，在步骤2)中，在所述特殊取向下，规定Z轴的正向为所述蛋白质晶体三维空间结构的法向，当所述蛋白质晶体三维空间结构转动到某一任意取向时，法向射线随所述蛋白质晶体三维空间结构一起旋转，此时所述法向与Z轴正向的夹角为取向角。
[0018]作为本专利技术的优选方案，在步骤3)中，所述纳米孔的直径大于所述蛋白质晶体三维空间结构在X
‑
Y平面的最大直径；
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述纳米孔选自固态纳米孔，材料可选氮化硅、氧化硅或碳化硅。
[0020]作为本专利技术的优选方案，在步骤3)中，所述电解质溶液中的电解质选自氯化钠、氯化钾、氯化锂中的至少一种，并且所述电解质溶液的浓度为0.5
‑
5.0mol/L。
[0021]作为本专利技术的优选方案，在步骤3)中，所述纳米孔的两端电势差的电场强度为
‑
100～100mV/nm。
[0022]作为本专利技术的优选方案，所述过孔电流I0和所述过孔电流I均是基于分子动力学模拟方法或电导率分布的离散模型方法获得的通过所述纳米孔的截面的电流。
[0023]作为本专利技术的优选方案，在步骤5)中，针对所述变化规律的多个拟合结果中，选取相关系数的平方最高的拟合结果作为最优拟合结果，将最优拟合结果中类球体的尺寸作为优选尺寸。
[0024]作为本专利技术的优选方案，在步骤6)中，根据所述优选尺寸，绘出所述蛋白质晶体三维空间结构的类球三维结构的形状；
[0025]作为本专利技术的优选方案，所述类球形蛋白质选自丁酰胆硷酯酶、乙酰胆碱酯酶、铁
蛋白、血清白蛋白和钙调蛋白中的至少一种；所述非类球形蛋白选自高亲和态整合素、免疫球蛋白、内向整流型钾离子通道蛋白和水通道蛋白中的至少一种。
[0026]在上述技术方案中，本专利技术针对类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长，进而获得蛋白质构象的形貌特征；针对类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长；对于非类球形蛋白，采用多个类球体的连体进行形貌的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角、各类球体之间角度的关系，获得了每个类球体的轴长，通过多个类球体的连体获得蛋白质构象的形貌特征。
[0027]由此，本专利技术实现了将纳米孔传感中的电流脉冲特征与蛋白质的形貌特征直接关联，使得纳米孔传感技术能够直接描述蛋白质的空间三维形貌，促进了纳米孔传感在蛋白质构象鉴定方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米孔过孔电流估计蛋白质构象形貌特征的方法，其特征在于，所述方法为：基于纳米孔特征电流，通过一个或多个类球体，对蛋白质的构象进行形貌估计；其中，对于类球形蛋白质，采用一个类球体进行形貌特征的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角的关系，获得类球体的轴长；对于非类球形蛋白，采用多个类球体的连体进行形貌的估计，通过解析相对阻塞电流和取向角、各类球体之间角度的关系，获得每个类球体的轴长。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：1)获得蛋白质晶体三维空间结构在纳米孔径向上的投影面积或外接圆的直径最大和最小的方向作为2个特殊取向；2)获得所述蛋白质晶体三维空间结构在纳米孔径向上的多个任意取向，并基于所述2个特殊取向计算任意取向的取向角；3)选取与所述蛋白质晶体三维空间结构的尺寸相匹配的纳米孔，获得仅充满电解质溶液的纳米孔的过孔电流I0以及孔内阻塞有不同取向的所述蛋白质晶体三维空间结构时的过孔电流I，获得不同取向下所述蛋白质晶体三维空间结构对纳米孔的相对阻塞电流ΔI/I0，其中，ΔI＝I0‑
I；4)对于类球形蛋白质，基于一个类球状体解析相对阻塞电流随取向角单一变量的变化规律，获得一个类球体的特征尺寸；对于非类球形蛋白，基于多个类球状体解析相对阻塞电流随取向角、多个类球体之间夹角的双变量的变化规律，获得各类球体的特征尺寸；5)基于最优拟合原则，确定各类球体的形状；6)获得蛋白质的形貌特征。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在步骤1)中，特殊取向的选择方式包括：将所述蛋白质晶体三维空间结构置于三维空间坐标系下，将所述蛋白质晶体三维空间结构的形心与坐标轴圆点重合，沿三个坐标轴依次、分别步进旋转，最终选择所有旋转角度下所述蛋白质晶体三维空间结构在X
‑
Y平面上的最大和最小投影面积的方向，作为特殊取向。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明焜，龙勉，吕守芹，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：