纳米孔中的复制忍者：黄硕课题组报道首个可编程纳米孔单分子反应器PNRSS

想必众多80后乃至90后的小伙伴们一定对动漫《火影忍者》中所描绘的忍者世界印象深刻吧。在这个光怪陆离的忍者世界里，发动忍术需要像敲密码一样顺序结印，而某位复制忍者甚至可以直接看穿别人的忍术结印顺序，并直接复制对方的忍术，从而一个人就可以掌握成千上万种忍术变化。

那么，我们有没有可能在分子的世界中创造一个像复制忍者一样的单分子反应器并借此轻松实现千变万化的单分子检测应用呢。近日，由南京大学化学化工学院黄硕（点击查看介绍）课题组于Nature Communications 报道的“Programmable Nano Reactor for Stochastic Sensing（PNRSS）”技术便实现了这样的目的。

PNRSS技术实际上是一个研究纳米孔单分子化学的便捷式分子工具箱（视频1），这项技术突破了纳米孔单分子化学研究中遇到的一个技术瓶颈：如何实现最大自由度、最简便的纳米孔单分子反应器构建。该技术巧妙地将功能化反应位点设计在DNA链上，DNA链在纳米孔中电场力作用下充分拉伸，并利用亲和素阻挡，防止穿过孔道，DNA链上暴露的反应位点，可以与自由转移的分析物结合，汇报信号。这条DNA链被定义为PNRSS链，由功能模块组成，在反应区域的反应位点可以进行任意功能化修饰，并且该位点与纳米孔识别区域的相对位置可以通过延伸区域进行微调，以满足不同的分析需求，实现最大限度可编程性。

视频1. PNRSS技术概念演示动画

天然的核酸碱基，如鸟嘌呤、腺嘌呤或它们的任何组合，可以作为配体与金属离子结合 ^[1]。在PNRSS技术的第一个演示实验中，以双鸟嘌呤作为配体，协同结合Ni²⁺离子，汇报出信号（图1）。通过对这一现象进行理论模拟，发现N(7)和O(6)原子在Ni²⁺配位中起关键作用。

图1. PNRSS技术的概念演示

除了天然碱基，更多人工合成的修饰碱基单体，为PNRSS链的设计和合成提供了极大的自由，彻底拓宽了PNRSS技术的应用。在后续的实验中，PNRSS链上合成引入一个包含炔基的胸腺嘧啶衍生物，通过点击反应修饰含有各种功能化基团的叠氮基衍生物，进一步阐述PNRSS技术。

去甲肾上腺素、肾上腺素和异丙肾上腺素是三种儿茶酚胺衍生物，在生命体内具有不同的功能 ^[2]。这些功能上的差异是由于它们化学结构的细微变化造成的。通过在PNRSS链上修饰苯硼酸基团，三种儿茶酚胺衍生物在PNRSS测量中汇报出丰富的化学反应信息，结合机器学习算法，实现混合样品中传感事件的自动识别，准确率高达98.0%（图2，动图1）。

图2. PNRSS技术同时传感和鉴定去甲肾上腺素，肾上腺素和异丙肾上腺素

动图1. PNRSS技术同时传感去甲肾上腺素，肾上腺素和异丙肾上腺素信号

瑞德西韦是一种抗病毒药物，作用是阻断RNA依赖的聚合酶，阻止病毒进一步复制，在细胞中代谢转化为其活性的三磷酸形式 ^[3]。使用PNRSS技术，可以在限域空间中确定瑞德西韦及其代谢物与苯硼酸的单分子结合动力学，并实现了二者的直接鉴别。以上演示扩大了PNRSS技术可研究的反应物类型，可能会启发药物动力学或药物筛选的应用（图3，动图2）。

图3. PNRSS技术传感核苷类似物抗病毒药物瑞德西韦及其三磷酸代谢产物

动图2. PNRSS技术同时传感核苷类似物抗病毒药物瑞德西韦及其三磷酸代谢产物信号

此前报道的纳米孔单分子化学的研究大多局限于可逆反应，因为任何发生在纳米孔腔内反应位点的不可逆反应都将终止新的化学信息的产生。然而，在PNRSS技术中，含有反应位点的PNRSS链可以通过电压与孔道分离或是重新加载，可以重复监测一个不可逆的单分子反应，这是PNRSS技术的独特性（图4）。

图4. PNRSS技术对不可逆化学反应的反复测量

PNRSS技术的出现打破了纳米孔单分子化学研究中构建纳米反应器的技术瓶颈，可以将任何数量或类型的活性基团引入纳米孔腔的任何点。有了PNRSS技术，原本针对纳米孔进行的蛋白质工程改造，已经转化为合成功能性的DNA，这是无数生物化学实验室或公司提供的一项低成本服务，大大降低了纳米孔单分子化学研究工作的门槛。

该工作相关论文于2021年10月4日发表于Nature Communications，黄硕课题组博士生贾文东为该论文第一作者，黄硕教授为论文通讯作者，陈洪渊院士对该工作做出了重要指导。南京大学化学化工学院马晶教授，博士生顾玉明在理论计算方面提供了大力帮助。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院（ChemBIC）的重要支持。国家自然科学基金（项目编号：31972917，91753108，21675083）、江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20200009）、南京大学卓越计划（项目编号：ZYJH004）、上海市市级科技重大专项、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室（项目编号：5431ZZXM1902）、南京大学科技创新基金资助项目等经费支持。

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）：

Programmable nano-reactors for stochastic sensing

Wendong Jia, Chengzhen Hu, Yuqin Wang, Yuming Gu, Guangrui Qian, Xiaoyu Du, Liying Wang, Yao Liu, Jiao Cao, Shanyu Zhang, Shuanghong Yan, Panke Zhang, Jing Ma, Hong-Yuan Chen & Shuo Huang

Nat. Commun., 2021, 12, 5811, DOI: 10.1038/s41467-021-26054-9

参考文献：

1. Masoud, M.S., Soayed, A.A. & Ali, A.E. Complexing properties of nucleic-acid constituents adenine and guanine complexes. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 60, 1907-1915 (2004).

2. Moore, R.Y. & Bloom, F.E. Central Catecholamine Neuron Systems: Anatomy and Physiology of the Norepinephrine and Epinephrine Systems. Annual Review of Neuroscience 2, 113-168 (1979).

3. Jorgensen, S.C.J., Kebriaei, R. & Dresser, L.D. Remdesivir: Review of Pharmacology, Pre-clinical Data, and Emerging Clinical Experience for COVID-19. Pharmacotherapy: The Journal of Human Pharmacology and Drug Therapy 40, 659-671 (2020).

导师介绍

黄硕 

https://www.x-mol.com/university/faculty/56491 

课题组主页

https://hysz.nju.edu.cn/bionano/