來(lái)源：高分子科學(xué)前沿        時(shí)間：2022-05-09

       納米孔通道

       膜納米孔 納米孔通道 膜納米孔（membrane nanopores）在生物學(xué)分子輸運(yùn)、可便攜DNA測(cè)序、無(wú)標(biāo)記單分子分析和納米醫(yī)學(xué)等方面可發(fā)揮巨大的作用。膜納米孔的內(nèi)腔決定了它們?cè)谏飳W(xué)技術(shù)中的功能。特別是在納米孔傳感中，通道寬度控制單個(gè)分子的進(jìn)入和通過(guò)，并影響分析物堵塞通道腔時(shí)產(chǎn)生的電學(xué)讀出信號(hào)。因此，大小約為1到5個(gè)?納米寬度的生物蛋白孔能夠感應(yīng)相似大小水平的DNA鏈、有機(jī)分子和較小的蛋白質(zhì)。而進(jìn)一步地，尺寸更寬的納米孔更有望在分子水平檢測(cè)尺寸較大的酶、免疫球蛋白、蛋白質(zhì)復(fù)合物甚至是病毒。不僅如此，非圓柱形納米孔能夠更好地適配非規(guī)則形狀的分析物，并有利于攜帶分子受體以實(shí)現(xiàn)高度特異性分析識(shí)別。最后，對(duì)于下一代納米孔來(lái)說(shuō)，還需要與各類電學(xué)讀出器件相互兼容，從而也能推進(jìn)其在人工細(xì)胞和生物活性分子輸運(yùn)方面的應(yīng)用。 

       DNA 納米孔（來(lái)源：Nature Protocols, doi: 10.1038/s41596-020-0331-7） 

       到目前為止，盡管研究進(jìn)展迅速，但基于工程蛋白或肽組裝體還無(wú)法制造下一代納米孔。這其中還存在著一個(gè)非?；厩谊P(guān)鍵的挑戰(zhàn)：即氨基酸尺寸太小同時(shí)多肽折疊成較大蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。由于核苷酸尺寸更大、堿基配對(duì)規(guī)則更簡(jiǎn)單以及預(yù)測(cè)DNA折疊更容易，DNA有望代替蛋白質(zhì)成為設(shè)計(jì)大尺寸納米結(jié)構(gòu)的新型工具。 

       高度可調(diào)的DNA基膜納米孔技術(shù) 

       近期，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Stefan Howorka等人發(fā)表文章表示，基于DNA的合理設(shè)計(jì)策略可以極大地?cái)U(kuò)展膜納米孔的結(jié)構(gòu)和功能范圍。在報(bào)道的設(shè)計(jì)策略中，作者將DNA雙鏈體束縛成孔結(jié)構(gòu)亞單元，這些亞單元可進(jìn)一步以模塊化的方式排列，以形成可調(diào)的孔形狀和高達(dá)數(shù)十納米的腔寬。在這類結(jié)構(gòu)中，作者可選擇性地連接用于識(shí)別或信號(hào)傳輸?shù)墓δ軉卧梢赃x擇性地連接。因此調(diào)整基本參數(shù)后，作者利用廣泛使用的研究和手持分析設(shè)備通過(guò)電直接單分子感測(cè)10納米大小的蛋白質(zhì)，展示了定制工程納米孔的實(shí)用性和潛力。研究認(rèn)為，設(shè)計(jì)的納米孔闡釋了DNA納米技術(shù)是如何提供功能性生物分子結(jié)構(gòu)以用于合成生物學(xué)、單分子酶學(xué)、生物物理分析、便攜式診斷以及環(huán)境篩查等領(lǐng)域。相關(guān)工作以“Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology。 

      【文章要點(diǎn)】 

      研究首先探索了DNA分子設(shè)計(jì)會(huì)如何影響和擴(kuò)展膜納米孔的形態(tài)和尺寸。作者首先解釋到了以往的DNA納米孔設(shè)計(jì)局限于將雙鏈定向在膜的垂直方向上，有鑒于此，在本研究中，作者決定改變這個(gè)思維以開(kāi)發(fā)更高的結(jié)構(gòu)自由度。在該工作中，作者以捆綁的DNA雙鏈作為亞單元，這些亞單元以模塊化方式平行于膜排列，可形成特定的形狀。如圖1所示，使用模塊化亞單元的設(shè)計(jì)思路可以提供前所未有的孔形狀和大小，包括一系列三角形、正方形、五邊形和六邊形等孔多邊形。不僅如此，結(jié)合可控的亞單元長(zhǎng)度（10納米和20納米），所設(shè)計(jì)的通道腔體可以是亞單元長(zhǎng)度為10納米的三角形（43 nm2），也可以是?亞單元長(zhǎng)度為20納米的正方形（400 nm2）。與具有1.5 nm2腔體面積的蛋白質(zhì)孔相比，作者所設(shè)計(jì)的DNA納米孔腔體面積提高了260倍?。 

       圖1 可調(diào)形狀和尺寸的DNA基膜納米孔 

       該納米孔結(jié)構(gòu)具有用于定義形狀的額外膜帽（membrane cap和用于穿膜的桶形結(jié)構(gòu)（barrel）（圖2）。通過(guò)定義亞單元的雙鏈數(shù)目，膜帽的高度和寬度都可進(jìn)行調(diào)整。膜帽結(jié)構(gòu)的亞單元之間由處在亞單元最內(nèi)側(cè)雙鏈位置上的單鏈DNA進(jìn)行連接，可防止膜帽結(jié)構(gòu)突然下垂以引起設(shè)計(jì)形狀的改變。同時(shí)，形狀明確的膜帽結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步?jīng)Q定負(fù)責(zé)跨膜的納米孔桶形結(jié)構(gòu)。通過(guò)位于亞單元膜帽下端的膽固醇錨接，桶形結(jié)構(gòu)可穿透插入由典型脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的膜以及MinION流動(dòng)細(xì)胞，從而有望用于直接便攜檢測(cè)免疫相關(guān)蛋白質(zhì)。 

       圖2 膜帽以及DNA納米孔的結(jié)構(gòu)表征 

        接著，作者評(píng)估了DNA納米孔是否允許在單分子水平上無(wú)標(biāo)記、直接和特異地檢測(cè)IgG抗體。選擇一個(gè)Sqr-10孔來(lái)容納10nm大小的IgG分析物。作者在納米孔中修飾了生物素標(biāo)簽（Sqr-10-Biot），可用于結(jié)合目標(biāo)抗生物素抗體（圖4a和補(bǔ)充圖3）。印跡技術(shù)證實(shí)了抗體與Sqr-10-Biot中的生物素標(biāo)簽進(jìn)行特異性結(jié)合。而在單通道電流記錄中，抗體的加入也會(huì)導(dǎo)致電流阻斷。這些實(shí)驗(yàn)均表明納米孔中發(fā)生了生物素標(biāo)簽與抗體的特異性結(jié)合活動(dòng)（圖3）。 

       圖3 特異性無(wú)標(biāo)記IgG檢測(cè) 

       結(jié)論：考慮到膜納米孔在自然界和技術(shù)中的重要性，該研究提出了新型的人工納米孔。作者基于DNA納米技術(shù)大大擴(kuò)展了納米孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能性，并通過(guò)使用廣泛的臺(tái)式和手持分析設(shè)備直接檢測(cè)納米孔通道腔體中的單個(gè)蛋白質(zhì)分子證明了該新型結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。這些納米孔還可面向分析物定制形狀和大小，從而有望改變利用固定尺寸納米孔檢測(cè)目標(biāo)分析物的既有檢測(cè)思路。因此，作者認(rèn)為在未來(lái)還可以進(jìn)一步改善這類DNA納米孔以產(chǎn)生非規(guī)則多邊形孔幾何結(jié)構(gòu)，以匹配不對(duì)稱形狀的分析物。 

       【來(lái)源：摘自高分子科學(xué)前沿】 聲明：轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時(shí)更正、刪除，謝謝。 郵箱地址：xlg@xhpr.net