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納米孔道師法自然，模擬細胞膜表面蛋白質(zhì)通道，其限域空間提供了最逼近實際生命體系中分子反應行為的場所，可實現(xiàn)在極短的時域內(nèi)捕獲單個分子瞬態(tài)變化，從而探索基礎生物化學領域新現(xiàn)象、新規(guī)律和新知識提供可靠的單分子電化學測量方法。早在上世紀90年代，納米孔道最初作為一種生物傳感器開發(fā)應用于超靈敏核酸測序和無標記生物小分子的單分子傳感測量。經(jīng)過近30年的發(fā)展，納米孔道單分子電化學分析技術已應用于DNA測序等。在DNA測序以外，近年來其在蛋白質(zhì)檢測與測序、生物化學反應動態(tài)測量研究等方面顯示出獨特的優(yōu)勢。

南京大學化學化工學院龍億濤教授、應佚倫團隊長期致力于納米孔道電化學傳感機制與應用研究，積累了十多年的實驗實踐、理論認知以及儀器開發(fā)經(jīng)驗。近日，龍億濤教授、應佚倫教授團隊與國際頂尖納米孔(道)研究團隊梳理回顧了近年來納米孔道電化學技術在蛋白質(zhì)分析和測序、單分子共價化學、液體活檢臨床應用以及仿生納米孔道系統(tǒng)構建與應用等方面的發(fā)展現(xiàn)狀和主要挑戰(zhàn)，深入探討了納米孔道電化學“限域空間效應“為單分子測量技術帶來的新機遇、新挑戰(zhàn)和新應用。 

圖1：極具潛力納米孔道電化學單分子研究領域。

生物/化學功能化修飾賦予納米孔道理想的幾何尺寸和豐富的界面性質(zhì)，有助于提高傳感靈敏度和選擇性，允許納米孔道從本體溶液中高效地捕獲、識別和傳輸各種分子和離子。在典型的納米孔道測量中，單個分析物分子在外加電場作用下進入納米孔道限域空間，擾動離子流動和分布，產(chǎn)生與分析物尺寸、電性、序列等相關的時序電流響應變化。通過解析單分子電信號的電流幅值與波動程度、持續(xù)時間和事件頻率等特征差異，納米孔道在單分子水平上實現(xiàn)了包括DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)、小分子代謝物及其復合物在內(nèi)的多種生物分子的隨機傳感測量和表征。

從2004年使用α-溶血素納米孔道檢測多肽開始，納米孔道技術在蛋白組學研究方面取得了許多重要進展，包括多肽長度與體積表征、多肽/蛋白質(zhì)翻譯后修飾識別與構象變化研究、蛋白質(zhì)相互作用分析以及酶活性測定。最新研究利用DNA聚合酶或解旋酶控制DNA-多肽復合物單體順次過孔速度，實現(xiàn)了不超過17個氨基酸長度多肽片段的序列測定，實驗驗證了納米孔道蛋白質(zhì)測序的可行性。

圖2：(a) 單分子蛋白質(zhì)識別原理示意圖；(b) 基于ClpXP的蛋白質(zhì)解折疊；(c) 實時監(jiān)測單分子多肽瞬態(tài)構象轉換。

蛋白質(zhì)生物納米孔道具有天然的限域結構，可以作為優(yōu)秀的納米級反應器，其限域環(huán)境與聚合物單分子反應動力學密切相關，通過改變納米反應器內(nèi)空間分離的活性基團的排布可實現(xiàn)化學反應選擇性的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物骨架中的二硫化物與納米孔道內(nèi)半胱氨酸的反應強烈依賴于它們在納米孔道內(nèi)的相對位置?；谙抻蚧瘜W選擇性，在納米孔道內(nèi)構建半胱氨酸軌道，通過連續(xù)的硫醇-二硫化物交換反應，實現(xiàn)了DNA 單分子機器亞納米級步長的定向行走。

圖3：納米孔道限域單分子聚合物化學反應研究 

生物/固體納米孔道、蛋白質(zhì)工程以及DNA納米技術的發(fā)展，為建造納米孔道仿生系統(tǒng)解決生物學難題提供了借鑒。經(jīng)典范例包括：在固體納米孔道內(nèi)修飾固有無序FG核孔蛋白(FG-Nups)成功構建了仿生核孔復合物，探究了并證實了FG-Nups網(wǎng)絡及其疏水殘基對核孔復合物選擇性的重要作用；利用可編程的DNA origami作為支架錨定FG-Nups得到仿生核孔復合物，借助顯微成像技術研究了受限FG-Nups的空間排列，該平臺能夠用于進一步探索不同類型FG-Nups形成的復雜度更高的網(wǎng)絡。

圖4：基于固體納米孔道與DNA origami的仿生核孔復合物構建

近幾年，納米孔道技術在臨床檢測應用方面取得了一系列進展。研究人員嘗試將納米孔道傳感器集成到微流控系統(tǒng)中，開發(fā)智能分析方法和設備用于臨床樣品制備和分析物濃縮；設計探針分子與體液樣本中的目標分析物特異性結合形成復合物，光電同步測量它們及其復合物的信號響應差異；在生物納米孔道（如OmpG、t-FhuA孔道）孔口處連接一個抗體或蛋白受體誘捕目標蛋白研究兩者結合/解離動力學，或者在孔道內(nèi)裝配一個底物結合蛋白檢測體液樣本中葡萄糖、維生素B1等代謝物小分子的濃度。此外，通過選擇性降解背景分子增強檢測特異性同時規(guī)避對納米孔道結構功能的負面影響，最近報道了一種納米孔道數(shù)字計數(shù)方法，使用酶降解寡聚核苷酸探針與mRNA生物標志物結合后的背景分子，無需純化和PCR擴增，實現(xiàn)了臨床樣本中SARS-CoV-2冠狀病毒的準確測量。

圖5：納米孔道傳感技術的生物樣本檢測流程

未來納米孔道單分子電化學分析技術的發(fā)展仍面臨諸多機遇與挑戰(zhàn)，本文探討和展望了孔道構建、蛋白質(zhì)分析、單分子化學、信息存儲以及生物醫(yī)藥與臨床診療等方面的應用，主要包括：生物、固體納米孔道的天然/非天然基團可控修飾；蛋白質(zhì)納米孔道從頭設計和DNA origami納米孔道定制合成；構建合適的納米孔道限域環(huán)境精確控制單分子化學反應進程有望用于高效合成；開發(fā)大規(guī)模集成化便攜式納米孔道儀器系統(tǒng)提高傳感精度、時間分辨率和檢測效率，可實現(xiàn)準確快速揭示單分子聚合物(如蛋白質(zhì)、多糖和脂類)的確切組成和單體序列，從而發(fā)展用于個體精準診療納米孔道單分子體外診斷技術。 

相關內(nèi)容以“Nanopore-based technologies beyond DNA sequencing”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology (2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01193-2)上，應佚倫教授、胡正利副研究員為論文共同第一作者，南京大學為第一完成和通訊聯(lián)絡單位，牛津大學Hagan Bayley教授、代爾夫特理工大學Cees Dekker教授、以色列理工學院Amit Meller教授、格羅寧根大學Giovanni Maglia教授和南京大學龍億濤教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金(22027806, 21922405, 22106066)等支持。

文章連接為：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01193-2