仿生受体纳米孔单分子分辨率可同时检测生物能量分子

单分子分析与整体测量或体积测量相比具有独特的优势，不仅可以提供单个分子的指纹信息，而且还可以通过分子计数同时提供许多不同的单个分子的指纹信息。这种捕获样品异质性细节特征的能力在生物学应用中非常重要，尤其是在检测复杂的生物流体或具有微小差异的多种组分时。例如，与生物能量存储和信号传导相关的腺苷5'-三磷酸(ATP)、腺苷5'-二磷酸(ADP)和腺苷5'-单磷酸(AMP) (统称为腺苷磷酸盐，AP) 最近也被指定为许多疾病的无创诊断和预后生物标志物，包括阿尔茨海默病、帕金森病和涉及心脏和血管的疾病。为了深入了解与细胞能量有关的重要且复杂的生物学过程并满足临床需求，对它们进行同时检测的需求不断增长。由于结构相似，在特定条件酶的催化作用下它们之间的快速可逆转换，以及广泛的浓度分布，这些物质的同时检测是一个巨大的挑战。

在目前可用的多种单分子方法中，纳米孔技术已成为治疗生物学问题的强大工具，由于其简单、无标记、基于溶液的检测和易于操作。开发可靠的纳米孔仍然是一项重大挑战，特别是要求纳米孔能够以高选择性和灵敏度直接区分和检测特定分子，例如ATP、ADP和AMP。为此，受生物启发的策略可能是一个完美的解决方案。

近日，西北大学的亢晓峰教授（点击查看介绍）团队为我们展示了一种具有高分辨识别性能，装载有仿生受体（BR）的蛋白质纳米孔器件，可以对结构极其相似的能量分子ATP、ADP和AMP进行同时检测。

图1 具有仿生受体的蛋白质纳米孔的构建。(a)线粒体ADP / ATP载体插入脂双层的顶视图(关键的5个精氨酸残基标注为红色)。(b)脂双层中带有仿生受体的(M113R)₇纳米孔的分子模型。(c)仿生受体的合成路线。(d)使用配备仿生受体的(M113R)₇ α-HL纳米孔的腺苷磷酸盐(AP)检测系统示意图。

图2 仿生受体纳米孔对AMP、ADP、ATP的信号响应以及对三种物质混合物的同时检测。

图3 在碱性磷酸酯酶的催化下，ATP水解过程中ATP、ADP和AMP的信号变化情况，以及各自对应浓度的变化。从水解过程的散点图(i)中能够看到，每个点代表着一个分子穿过纳米孔的事件，因此可以对水解过程进行实时监测。

作者通过分子模拟和纳米孔单分子电学测量的方法，证明了该仿生受体纳米孔在同时识别腺苷磷酸盐与实时酶催化转化动力学和热力学方面具有出色的性能。此外，单个磷酸盐可分辨的能力在合成DNA测序中也很有前途。

该工作近期发表在Analytical Chemistry 杂志上，第一作者是西北大学的博士研究生苏卓群，通讯作者是亢晓峰教授。该工作得到了国家自然科学基金委员会项目的大力资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Simultaneous High-Resolution Detection of Bioenergetic Molecules using Biomimetic-Receptor Nanopore

Zhuoqun Su, Yongfeng Wei, Xiao-feng Kang*

Anal. Chem., 2019, 91, 15255-15259, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04268

导师介绍

亢晓峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/13725