納米孔技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DNA測序范疇

納米孔技術(shù)（Nanopore technology）最初是為了實現(xiàn)離子和小分子的隨機(jī)傳感而開發(fā)的。隨后，針對納米孔技術(shù)開展的許多工作都集中在DNA測序的應(yīng)用研究方面。然而，目前，納米孔技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了DNA測序范疇，可用于分析不同生化系統(tǒng)中的分子異質(zhì)性和隨機(jī)過程（圖1）。

圖1 除了DNA測序之外，納米孔技術(shù)在促進(jìn)新知識和新技術(shù)發(fā)展方面具有巨大潛力的四個研究領(lǐng)域

研究發(fā)現(xiàn)，納米孔技術(shù)具有很多關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，納米孔能夠以相對較高的速率一個接一個地連續(xù)捕獲許多單分子，這使得納米孔能夠在合理的時間范圍內(nèi)以單分子水平探索大量分子。其次，納米孔本質(zhì)上是將分析物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為可測量的離子電流信號，甚至實現(xiàn)對映異構(gòu)體的區(qū)分。

該技術(shù)可用于報告多個分子特征，同時不需要標(biāo)記化學(xué)物質(zhì)，從而避免使整個分析過程復(fù)雜化或影響分子結(jié)構(gòu)。例如，納米孔可以以無標(biāo)記的方式區(qū)分近13種不同的氨基酸，包括一些具有微小結(jié)構(gòu)差異的氨基酸。特別是，納米孔對一些缺乏合適的信號放大標(biāo)記，或其信息隱藏在分析設(shè)備噪音中的物質(zhì)具有良好的識別能力，因此可以很好地用于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)所需的分子診斷應(yīng)用，實現(xiàn)核酸、蛋白質(zhì)或代謝物等分析物以及其他生物標(biāo)志物的鑒定。

圖2 基于納米孔的蛋白質(zhì)解析

此外，對于涉及復(fù)雜的生物分子相互作用的仿生系統(tǒng)，納米孔為實現(xiàn)其可控設(shè)計和構(gòu)建提供了良好的架構(gòu)基礎(chǔ)。具體地，生物分子在轉(zhuǎn)運過程中與納米孔表面相互作用時，納米孔仿生系統(tǒng)會跟蹤其結(jié)合動力學(xué)，從而解析復(fù)雜的生物過程（例如，核孔復(fù)合物的轉(zhuǎn)運特性）。最后，化學(xué)基團(tuán)可以在蛋白質(zhì)納米孔內(nèi)進(jìn)行空間排列，從而為位點選擇性或區(qū)域選擇性共價化學(xué)提供限域空間。該策略已被用于設(shè)計蛋白質(zhì)納米反應(yīng)器以監(jiān)測斷鍵和成鍵事件。

圖3 基于納米孔的仿生核孔復(fù)合物（NPCs）

圖4 限域空間內(nèi)的聚合物化學(xué)反應(yīng)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，來自南京大學(xué)（Nanjing University）、格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）以及牛津大學(xué)（University of Oxford）等的研究人員在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表題為“Nanopore-based technologies beyond DNA sequencing”的綜述論文，概述了納米孔在分子傳感和測序、化學(xué)催化和生物物理表征中的廣泛應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了納米孔在單蛋白分析和測序、單分子共價化學(xué)、單分子液體活檢的臨床傳感以及使用合成仿生納米孔作為自然系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ偷确矫娴膽?yīng)用前景。

同時，研究人員指出，在充分發(fā)揮納米孔技術(shù)的潛力之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。例如，有必要提高傳感精度和時間分辨率，以揭示單一生物聚合物（例如蛋白質(zhì)或多糖）的確切化學(xué)成分。具體來說，蛋白質(zhì)由20個天然氨基酸和超過10個單糖單元的多糖組成，而DNA中只有4個核堿基。因此，鑒于傳感區(qū)域的大小應(yīng)該與單個生物聚合物單元的大小相當(dāng)，在大部分情況下，納米孔需要定制。更重要的是，納米孔應(yīng)該對構(gòu)建單元的化學(xué)或物理特性最敏感，從而為每個單元產(chǎn)生可區(qū)分的離子電流特征。這可以通過對孔的內(nèi)表面進(jìn)行細(xì)致地功能化以控制生物聚合物和納米孔之間的相互作用來實現(xiàn)，從而提供所需的靈敏度、選擇性和捕獲效率。

研究人員進(jìn)一步指出，在未來的研究中，其中一個有趣的探索方向是納米孔的從頭設(shè)計和DNA折紙支架的合成。這將突破當(dāng)前工程方法的能力限制，實現(xiàn)納米孔大小和形狀的定制。而非天然氨基酸的使用可以擴(kuò)展生物納米孔的多種化學(xué)功能，以促進(jìn)在納米孔限域空間內(nèi)，共價和非共價反應(yīng)的研究。

而設(shè)計具有定制結(jié)構(gòu)、形狀和化學(xué)性質(zhì)的納米孔的能力將為精確控制單分子催化提供一個良好的環(huán)境。通過利用在分子尺度上設(shè)計的納米孔，可以將催化位點引入蛋白質(zhì)納米孔腔中；然后，被捕獲在納米孔內(nèi)的反應(yīng)物分子可以被催化形成產(chǎn)物，該產(chǎn)物進(jìn)一步釋放并易位通過納米孔。這將為定制化學(xué)品的生產(chǎn)提供一種自下而上的方法。假設(shè)產(chǎn)物形成的最終速度可能是每個分子1?ms，則100個納米孔陣列并行工作將在不到1?h的時間內(nèi)產(chǎn)生大約3.6?×?10?個產(chǎn)物。

此外，納米孔也越來越多地用作力傳感器，對各種生物分子進(jìn)行受控定位、捕獲和定向，從而用于單分子生物物理學(xué)研究。最后，基于納米孔的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用已經(jīng)不限于DNA測序和表觀遺傳修飾分析，目前已拓展用于檢測生物流體和其他生物樣本中的分子生物標(biāo)志物（蛋白質(zhì)、代謝物和核酸）。鑒于納米孔應(yīng)用的快速增長，納米孔技術(shù)很可能會成為單分子體外診斷的一項突出技術(shù)。





審核編輯：劉清