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纳米孔大牛再发Nat. Nanotech.:高度可调的DNA膜纳米孔

来源:高分子科学前沿        时间:2022-05-09




       纳米孔通道


       膜纳米孔 纳米孔通道 膜纳米孔(membrane nanopores)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。膜纳米孔的内腔决定了它们在生物学技术中的功能。特别是在纳米孔传感中,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读出信号。因此,大小约为1到5个 纳米宽度的生物蛋白孔能够感应相似大小水平的DNA链、有机分子和较小的蛋白质。而进一步地,尺寸更宽的纳米孔更有望在分子水平检测尺寸较大的酶、免疫球蛋白、蛋白质复合物甚至是病毒。不仅如此,非圆柱形纳米孔能够更好地适配非规则形状的分析物,并有利于携带分子受体以实现高度特异性分析识别。最后,对于下一代纳米孔来说,还需要与各类电学读出器件相互兼容,从而也能推进其在人工细胞和生物活性分子输运方面的应用。 



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       DNA 纳米孔(来源:Nature Protocols, doi: 10.1038/s41596-020-0331-7) 



       到目前为止,尽管研究进展迅速,但基于工程蛋白或肽组装体还无法制造下一代纳米孔。这其中还存在着一个非常基本且关键的挑战:即氨基酸尺寸太小同时多肽折叠成较大蛋白质结构的复杂性。由于核苷酸尺寸更大、碱基配对规则更简单以及预测DNA折叠更容易,DNA有望代替蛋白质成为设计大尺寸纳米结构的新型工具。 


       高度可调的DNA基膜纳米孔技术 


       近期,英国伦敦大学学院Stefan Howorka等人发表文章表示,基于DNA的合理设计策略可以极大地扩展膜纳米孔的结构和功能范围。在报道的设计策略中,作者将DNA双链体束缚成孔结构亚单元,这些亚单元可进一步以模块化的方式排列,以形成可调的孔形状和高达数十纳米的腔宽。在这类结构中,作者可选择性地连接用于识别或信号传输的功能单元可以选择性地连接。因此调整基本参数后,作者利用广泛使用的研究和手持分析设备通过电直接单分子感测10纳米大小的蛋白质,展示了定制工程纳米孔的实用性和潜力。研究认为,设计的纳米孔阐释了DNA纳米技术是如何提供功能性生物分子结构以用于合成生物学、单分子酶学、生物物理分析、便携式诊断以及环境筛查等领域。相关工作以“Highly shape- and size-tunable membrane nanopores made with DNA”为题发表在Nature Nanotechnology。 



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      【文章要点】 


      研究首先探索了DNA分子设计会如何影响和扩展膜纳米孔的形态和尺寸。作者首先解释到了以往的DNA纳米孔设计局限于将双链定向在膜的垂直方向上,有鉴于此,在本研究中,作者决定改变这个思维以开发更高的结构自由度。在该工作中,作者以捆绑的DNA双链作为亚单元,这些亚单元以模块化方式平行于膜排列,可形成特定的形状。如图1所示,使用模块化亚单元的设计思路可以提供前所未有的孔形状和大小,包括一系列三角形、正方形、五边形和六边形等孔多边形。不仅如此,结合可控的亚单元长度(10纳米和20纳米),所设计的通道腔体可以是亚单元长度为10纳米的三角形(43 nm2),也可以是 亚单元长度为20纳米的正方形(400 nm2)。与具有1.5 nm2腔体面积的蛋白质孔相比,作者所设计的DNA纳米孔腔体面积提高了260倍 。 



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       图1 可调形状和尺寸的DNA基膜纳米孔 


       该纳米孔结构具有用于定义形状的额外膜帽(membrane cap和用于穿膜的桶形结构(barrel)(图2)。通过定义亚单元的双链数目,膜帽的高度和宽度都可进行调整。膜帽结构的亚单元之间由处在亚单元最内侧双链位置上的单链DNA进行连接,可防止膜帽结构突然下垂以引起设计形状的改变。同时,形状明确的膜帽结构可进一步决定负责跨膜的纳米孔桶形结构。通过位于亚单元膜帽下端的胆固醇锚接,桶形结构可穿透插入由典型脂质双分子层构成的膜以及MinION流动细胞,从而有望用于直接便携检测免疫相关蛋白质。 


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       图2 膜帽以及DNA纳米孔的结构表征 


        接着,作者评估了DNA纳米孔是否允许在单分子水平上无标记、直接和特异地检测IgG抗体。选择一个Sqr-10孔来容纳10nm大小的IgG分析物。作者在纳米孔中修饰了生物素标签(Sqr-10-Biot),可用于结合目标抗生物素抗体(图4a和补充图3)。印迹技术证实了抗体与Sqr-10-Biot中的生物素标签进行特异性结合。而在单通道电流记录中,抗体的加入也会导致电流阻断。这些实验均表明纳米孔中发生了生物素标签与抗体的特异性结合活动(图3)。 



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       图3 特异性无标记IgG检测 


       结论:考虑到膜纳米孔在自然界和技术中的重要性,该研究提出了新型的人工纳米孔。作者基于DNA纳米技术大大扩展了纳米孔结构的设计可能性,并通过使用广泛的台式和手持分析设备直接检测纳米孔通道腔体中的单个蛋白质分子证明了该新型结构的实用性。这些纳米孔还可面向分析物定制形状和大小,从而有望改变利用固定尺寸纳米孔检测目标分析物的既有检测思路。因此,作者认为在未来还可以进一步改善这类DNA纳米孔以产生非规则多边形孔几何结构,以匹配不对称形状的分析物。 


       【来源:摘自高分子科学前沿】 声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请作者持权属证明与本网联系,我们将及时更正、删除,谢谢。 邮箱地址:xlg@xhpr.net