Nature Nanotechnology：形狀和尺寸高度可調的人工設計納米孔

?一、導讀

膜納米孔在生物學分子輸運、可便攜DNA測序、無標記單分子分析和納米醫學等方面可發揮巨大的作用。膜納米孔的管腔決定了膜納米孔在生物學和技術上的應用功能。在納米孔傳感中，通道寬度控制單個分子的進入和通過，并影響分析物堵塞通道腔時產生的電學信號讀取。大約1~5 nm寬的生物蛋白孔能夠感知大小相同的DNA鏈、有機分子和小蛋白質。在傳感相關研究中，打破目前的尺寸限制是目前科研人員們所致力的。例如，更寬的納米孔可以轉變為在單分子水平上對大酶、免疫球蛋白、蛋白復合物甚至病毒的快速和直接的感知和檢測。進一步，非圓柱形納米孔與不規則形狀的分析物可能會產生更好的匹配。確定的納米孔應該攜帶分子受體，使高度特異性的分析物識別或分析物分子栓系用于詳細的生物物理檢查。下一代納米孔應該與各種電子讀取技術兼容，包括手持式MinION試劑盒，該試劑盒率先用于便攜式DNA測序，但迄今尚未用于蛋白質檢測。獨特設計的納米孔還提供了傳感以外的應用，例如形成合成細胞和穿刺生物細胞以運送生物活性貨物。

到目前為止，盡管相關研究已經取得了相當大的進展，但是下一代納米孔還沒有被工程蛋白或多肽組裝所實現。一個挑戰是氨基酸的小尺寸和多肽折疊形成較大蛋白質結構的復雜性。考慮到更大尺寸的核苷酸、簡單的堿基配對規則和更容易預測DNA折疊，DNA是設計更大納米尺度結構的替代材料。

二、成果掠影

近日，英國倫敦大學學院Stefan Howorka（通訊作者）在Nature Nanotechnology上發表文章，題為“Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA”。作者探索了DNA分子設計并用于擴大膜納米孔的大小和形狀。通過調控基本參數，基于廣泛使用的研究和手持分析設備，通過對10 nm大小蛋白質進行單分子傳感，作者展示了定制設計的納米孔的實用性和潛力。人工設計納米孔，展示了DNA納米技術如何提供功能性生物分子結構，用于合成生物學、單分子酶學和生物物理分析，以及便攜式診斷和環境篩選。

三、核心創新點

√將DNA雙鏈捆綁到孔亞單元中，這些亞單元以模塊化的方式排列，形成可調節的孔形狀和管腔寬度，最大可達數十納米

√ 以廣泛使用的研究和手持分析設備對10 nm大小的蛋白質進行單分子檢測?

四、數據概覽

圖1. 基于DNA制成的形狀和尺寸高度可調的膜納米孔 ? 2022 Springer Nature

a. 一種具有方形管腔的DNA納米孔

b. DNA納米孔的俯視圖

c. 孔的側視圖

d. 在俯視圖中，不同多邊形形狀和大小的DNA納米孔，管腔面積從43到400 nm²

圖2. caps和DNA納米孔組裝和結構表征? ? 2022 Springer Nature

a. 示意圖和凝膠電泳帶(左)和TEM圖(右)

b. DNA納米孔示意圖

c. 凝膠電泳分析

d. TEM圖

e. 熒光顯微圖像

圖3. 多邊形DNA納米孔呈現電導特性的脂質雙層? ? 2022 Springer Nature

a-c. 通過Tri-10 (a)， Sqr-10 (b)和Sqr-20 (c) DNA納米孔的單通道電流記錄進行分析

圖4. DNA納米孔Sqr-10-Biot(a–f) 和Tri-20-Spike (g–i)分別使用雙層和便攜式Minion記錄的特異性和無標記IgG傳感 ? ? 2022 Springer Nature

五、成果啟示

該項研究，介紹了在生物學無法提供的大小和形狀范圍內的合成膜納米孔。通過DNA納米技術設計，以及手持分析設備實驗，檢測通道腔內的單個蛋白質分子，證明了該方法的實用性。這種合成孔策略，為工業應用提供了功能性DNA納米結構，利用自然界無法獲得的生物分子結構，推進了合成生物學，并有助于提升便攜式和快速的蛋白質傳感技術。

文獻鏈接：Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA. 2022, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-022-01116-1.

本文由納米小白供稿

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