Nature Nanotechnology：形状和尺寸高度可调的人工设计纳米孔

 一、导读

膜纳米孔在生物学分子输运、可便携DNA测序、无标记单分子分析和纳米医学等方面可发挥巨大的作用。膜纳米孔的管腔决定了膜纳米孔在生物学和技术上的应用功能。在纳米孔传感中，通道宽度控制单个分子的进入和通过，并影响分析物堵塞通道腔时产生的电学信号读取。大约1~5 nm宽的生物蛋白孔能够感知大小相同的DNA链、有机分子和小蛋白质。在传感相关研究中，打破目前的尺寸限制是目前科研人员们所致力的。例如，更宽的纳米孔可以转变为在单分子水平上对大酶、免疫球蛋白、蛋白复合物甚至病毒的快速和直接的感知和检测。进一步，非圆柱形纳米孔与不规则形状的分析物可能会产生更好的匹配。确定的纳米孔应该携带分子受体，使高度特异性的分析物识别或分析物分子栓系用于详细的生物物理检查。下一代纳米孔应该与各种电子读取技术兼容，包括手持式MinION试剂盒，该试剂盒率先用于便携式DNA测序，但迄今尚未用于蛋白质检测。独特设计的纳米孔还提供了传感以外的应用，例如形成合成细胞和穿刺生物细胞以运送生物活性货物。

到目前为止，尽管相关研究已经取得了相当大的进展，但是下一代纳米孔还没有被工程蛋白或多肽组装所实现。一个挑战是氨基酸的小尺寸和多肽折叠形成较大蛋白质结构的复杂性。考虑到更大尺寸的核苷酸、简单的碱基配对规则和更容易预测DNA折叠，DNA是设计更大纳米尺度结构的替代材料。

二、成果掠影

近日，英国伦敦大学学院Stefan Howorka（通讯作者）在Nature Nanotechnology上发表文章，题为“Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA”。作者探索了DNA分子设计并用于扩大膜纳米孔的大小和形状。通过调控基本参数，基于广泛使用的研究和手持分析设备，通过对10 nm大小蛋白质进行单分子传感，作者展示了定制设计的纳米孔的实用性和潜力。人工设计纳米孔，展示了DNA纳米技术如何提供功能性生物分子结构，用于合成生物学、单分子酶学和生物物理分析，以及便携式诊断和环境筛选。

三、核心创新点

√将DNA双链捆绑到孔亚单元中，这些亚单元以模块化的方式排列，形成可调节的孔形状和管腔宽度，最大可达数十纳米

√ 以广泛使用的研究和手持分析设备对10 nm大小的蛋白质进行单分子检测 

四、数据概览

图1. 基于DNA制成的形状和尺寸高度可调的膜纳米孔 © 2022 Springer Nature

a. 一种具有方形管腔的DNA纳米孔

b. DNA纳米孔的俯视图

c. 孔的侧视图

d. 在俯视图中，不同多边形形状和大小的DNA纳米孔，管腔面积从43到400 nm²

图2. caps和DNA纳米孔组装和结构表征  © 2022 Springer Nature

a. 示意图和凝胶电泳带(左)和TEM图(右)

b. DNA纳米孔示意图

c. 凝胶电泳分析

d. TEM图

e. 荧光显微图像

图3. 多边形DNA纳米孔呈现电导特性的脂质双层  © 2022 Springer Nature

a-c. 通过Tri-10 (a)， Sqr-10 (b)和Sqr-20 (c) DNA纳米孔的单通道电流记录进行分析

图4. DNA纳米孔Sqr-10-Biot(a–f) 和Tri-20-Spike (g–i)分别使用双层和便携式Minion记录的特异性和无标记IgG传感   © 2022 Springer Nature

五、成果启示

该项研究，介绍了在生物学无法提供的大小和形状范围内的合成膜纳米孔。通过DNA纳米技术设计，以及手持分析设备实验，检测通道腔内的单个蛋白质分子，证明了该方法的实用性。这种合成孔策略，为工业应用提供了功能性DNA纳米结构，利用自然界无法获得的生物分子结构，推进了合成生物学，并有助于提升便携式和快速的蛋白质传感技术。

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

本文由纳米小白供稿

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