纳米孔测序再一突破！首个人造纳米孔传感器可用用于DNA/多肽测序

前不久，纳米孔技术的一项重要突破在《科学》期刊发表，引起业内关注。在这项研究中，科学家们首次展示了，使用纳米孔技术不仅可以测出DNA分子的碱基序列，还可以直接读出蛋白质分子的氨基酸序列。

短短一个月不到，纳米孔技术领域的科学家又带来一项突破性的进展。研究人员以“从头设计”（de-novo）的方式，也就是通过人为设计氨基酸排列，合成出一种人造纳米孔。这种人造纳米孔可以稳定组装在双层脂质膜中，根据应用目的调整孔径的大小，服务于检测DNA和蛋白质分子的需求。

研究成果日前发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上。“纳米孔传感技术是一种强大的工具，无需标记就可进行单分子检测。”该研究通讯作者、东京农业技术大学（Tokyo University of Agriculture and Technology）的Ryuji Kawano教授指出，“这是首次用从头设计的纳米孔检测DNA和多肽分子。”

生物纳米孔技术通常以天然成孔蛋白为基础，成孔蛋白形成的通道可供DNA长链或多肽链分子穿过，由于碱基或氨基酸的不同，会产生相应的电流变化，仪器通过识别电信号的变化，就可以推断出通过纳米孔的碱基或氨基酸顺序。

根据纳米孔测序的这个基本原理，不难看出通道的孔径大小和化学性质，对适用于检测什么分子是重要的限制。相比有限的天然成孔蛋白，研究人员决定“无中生有”地设计人工蛋白纳米孔，既能模拟天然蛋白的性质，又能更好地满足检测蛋白质分子的需求。

▲SV28的氨基酸序列和它形成的发卡结构（图片来源：参考资料[1]）

为此，这支研究团队设计并合成了一种自然界原本不存在的肽，由28个氨基酸组成，命名为SV28。这种肽经过弯折，形成一个发卡结构，插入脂质膜。用SV28组装成的纳米孔结构，可以形成几种不同的孔径，从1.7纳米到6.3纳米，适用于检测DNA分子。

研究人员介绍，对SV28的氨基酸进行微调，还可以改变它的弯折方式，由此组装形成均匀分散的孔道，每个孔径1.7纳米，适用于检测单根多肽链。接下来，研究团队还计划设计和构建更多类型的纳米孔，助力蛋白质测序、制造分子机器人等。

▲“从头设计”的人工纳米孔效果图（图片来源：参考资料[2]；Credit: Ryuji Kawano/Tokyo University of Agriculture and Technology）

研究人员指出，之所以他们要以“从头设计”方式构建的人工纳米孔，一个重要目标就是希望制造出分子机器，用于更广泛地检测不同类型的分子，尤其是用于阐明蛋白质结构和功能的关系。

“蛋白质的折叠结构取决于多肽的线性序列，并产生了蛋白质的特定功能。”Kawano教授说道，“独特的氨基酸序列，来自结构的演变，包括氨基酸残基随时间产生的突变和选择。揭示出序列信息与蛋白质结构之间的关系是科学的最终目标之一。”

参考资料：

[1] Shimizu, K. et al., (2021) De novo design of a nanopore for single-molecule detection that incorporates a β-hairpin peptide. Nature Nanotechnology. Doi: https://doi.org/10.1038/s41565-021-01008-w

[2] For the first time, DNA and proteins sensed by de novo-designed nanopore. Retrieved Nov. 25, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/935907