纳米孔技术的应用远远超出DNA测序范畴

纳米孔技术（Nanopore technology）最初是为了实现离子和小分子的随机传感而开发的。随后，针对纳米孔技术开展的许多工作都集中在DNA测序的应用研究方面。然而，目前，纳米孔技术的应用已经远远超出了DNA测序范畴，可用于分析不同生化系统中的分子异质性和随机过程（图1）。

图1 除了DNA测序之外，纳米孔技术在促进新知识和新技术发展方面具有巨大潜力的四个研究领域

研究发现，纳米孔技术具有很多关键优势。首先，纳米孔能够以相对较高的速率一个接一个地连续捕获许多单分子，这使得纳米孔能够在合理的时间范围内以单分子水平探索大量分子。其次，纳米孔本质上是将分析物的结构和化学性质转化为可测量的离子电流信号，甚至实现对映异构体的区分。

该技术可用于报告多个分子特征，同时不需要标记化学物质，从而避免使整个分析过程复杂化或影响分子结构。例如，纳米孔可以以无标记的方式区分近13种不同的氨基酸，包括一些具有微小结构差异的氨基酸。特别是，纳米孔对一些缺乏合适的信号放大标记，或其信息隐藏在分析设备噪音中的物质具有良好的识别能力，因此可以很好地用于精准医学所需的分子诊断应用，实现核酸、蛋白质或代谢物等分析物以及其他生物标志物的鉴定。

图2 基于纳米孔的蛋白质解析

此外，对于涉及复杂的生物分子相互作用的仿生系统，纳米孔为实现其可控设计和构建提供了良好的架构基础。具体地，生物分子在转运过程中与纳米孔表面相互作用时，纳米孔仿生系统会跟踪其结合动力学，从而解析复杂的生物过程（例如，核孔复合物的转运特性）。最后，化学基团可以在蛋白质纳米孔内进行空间排列，从而为位点选择性或区域选择性共价化学提供限域空间。该策略已被用于设计蛋白质纳米反应器以监测断键和成键事件。

图3 基于纳米孔的仿生核孔复合物（NPCs）

图4 限域空间内的聚合物化学反应

据麦姆斯咨询报道，近日，来自南京大学（Nanjing University）、格罗宁根大学（University of Groningen）以及牛津大学（University of Oxford）等的研究人员在Nature Nanotechnology期刊上发表题为“Nanopore-based technologies beyond DNA sequencing”的综述论文，概述了纳米孔在分子传感和测序、化学催化和生物物理表征中的广泛应用，强调了纳米孔在单蛋白分析和测序、单分子共价化学、单分子液体活检的临床传感以及使用合成仿生纳米孔作为自然系统实验模型等方面的应用前景。

同时，研究人员指出，在充分发挥纳米孔技术的潜力之前，仍有许多挑战需要克服。例如，有必要提高传感精度和时间分辨率，以揭示单一生物聚合物（例如蛋白质或多糖）的确切化学成分。具体来说，蛋白质由20个天然氨基酸和超过10个单糖单元的多糖组成，而DNA中只有4个核碱基。因此，鉴于传感区域的大小应该与单个生物聚合物单元的大小相当，在大部分情况下，纳米孔需要定制。更重要的是，纳米孔应该对构建单元的化学或物理特性最敏感，从而为每个单元产生可区分的离子电流特征。这可以通过对孔的内表面进行细致地功能化以控制生物聚合物和纳米孔之间的相互作用来实现，从而提供所需的灵敏度、选择性和捕获效率。

研究人员进一步指出，在未来的研究中，其中一个有趣的探索方向是纳米孔的从头设计和DNA折纸支架的合成。这将突破当前工程方法的能力限制，实现纳米孔大小和形状的定制。而非天然氨基酸的使用可以扩展生物纳米孔的多种化学功能，以促进在纳米孔限域空间内，共价和非共价反应的研究。

而设计具有定制结构、形状和化学性质的纳米孔的能力将为精确控制单分子催化提供一个良好的环境。通过利用在分子尺度上设计的纳米孔，可以将催化位点引入蛋白质纳米孔腔中；然后，被捕获在纳米孔内的反应物分子可以被催化形成产物，该产物进一步释放并易位通过纳米孔。这将为定制化学品的生产提供一种自下而上的方法。假设产物形成的最终速度可能是每个分子1 ms，则100个纳米孔阵列并行工作将在不到1 h的时间内产生大约3.6 × 10⁸个产物。

此外，纳米孔也越来越多地用作力传感器，对各种生物分子进行受控定位、捕获和定向，从而用于单分子生物物理学研究。最后，基于纳米孔的生物医学应用已经不限于DNA测序和表观遗传修饰分析，目前已拓展用于检测生物流体和其他生物样本中的分子生物标志物（蛋白质、代谢物和核酸）。鉴于纳米孔应用的快速增长，纳米孔技术很可能会成为单分子体外诊断的一项突出技术。





审核编辑：刘清