DNA测序读取代谢物定量水平

推荐一篇发表在Nat. Biotechnol.上的论文，题目为“Quantifying metabolites using structure-switching aptamers coupled to DNA sequencing”，通讯作者是多伦多大学的Andrew G. Fraser教授，Fraser教授的研究方向是利用线虫模型研究基因突变对健康的影响。

代谢物是反映健康状况的关键生物标志物，代谢物水平调节失常会导致糖尿病和苯丙酮尿症等疾病的发生。由于代谢物在生化特性上极其多样，且无法像PCR那样简单地扩增，因此对其进行定量仍具有挑战性。代谢组学面临的挑战在于能够快速、高效地从组织到血浆再到单细胞等样本中定量分析这些不同类别的分子。因此，本文提出了一种使用DNA测序读取代谢物或药物水平的方法，将DNA测序的强大功能引入代谢组学。

作者将该技术命名为"smol-seq"（小分子测序）。结构转换适配体（SSAs）是smol-seq方法的核心。SSAs系统主要包含两个关键组件：1.配体结合寡核苷酸(LBO)：较长的序列，包含能与目标分子结合的区域；2.释放寡核苷酸(SRO)：较短的序列，通过短茎部与LBO配对，含有特异性条形码。LBO固定在固相基质上，SRO通过碱基配对与LBO结合；当目标分子(如代谢物)与LBO的配体结合区结合时构象改变,形成稳定的茎环结构,导致SRO从LBO上释放，通过测序释放的SRO条形码，可以定量检测样品中目标分子的水平。

接下来，作者首先评估了bSSA的特异性，结果发现ATP bSSA只检测ATP，而不检测其他核苷三磷酸（NTPs）；葡萄糖bSSA不仅能够区分葡萄糖和半乳糖，还能区分不同立体异构体的葡糖糖；而ampicillin bSSA能检测氨苄青霉素，而不检测与其结构非常相似的卡苯青霉素。

进一步地，研究团队通过实验验证了SSA在复杂生物环境中的检测应用潜力。首先，他们在细胞裂解液和LB培养基中成功检测抗疟药物匹克喹啉。其次，在酵母提取物中，SSA能够特异性地检测外源性皮质醇，而不受与之高度相关的内源性麦角固醇干扰。最后，他们应用ATP特异性SSA系统检测大肠杆菌野生型和cyoA基因缺失的突变株中的内源性ATP水平，检测结果与荧光素酶法检测结果高度一致。这些实验充分证明了SSA系统在复杂生物样本中测定小分子的特异性和可靠性。接下来，为了进一步证明smol-seq可以实现多重检测，作者在同一实验中使用了多个SSAs，发现每个bSSA作为一个独立的传感器工作，可以通过条形码测序并行读取多个结果。为了克服在检测过程中由于线性范围的限制导致无法准确测定的问题，作者进一步开发了一种通用方法，通过对bSSA的茎区域进行微调，生成一系列具有相同靶标，但定量动态范围不同的衍生传感器，将其进行组合后，大大扩展检测范围。