DNA 测序之外的许多不同的纳米孔研究方向和应用

DNA 测序之外的许多不同的纳米孔研究方向和应用

在当前的一个 自然纳米技术 在这项研究中，研究人员描述了基于纳米孔的技术的多种应用，这些应用超出了脱氧核糖核酸 (DNA) 测序的范围。 目前的研究尤其侧重于该技术在化学、生物物理学和纳米科学方面的进展。

学习： DNA 测序之外的基于纳米孔的技术。照片来源：Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

什么是纳米孔？

在传统应用中，感兴趣的分析物在施加的电流下进入纳米孔，该电流改变通过纳米孔的离子流。 离子通量的这种变化反映在随时间变化的电流记录中，可用于在分子水平上检测和表征各种生物分子，如 DNA、RNA、蛋白质、肽、代谢物和蛋白质-DNA 复合物。

用于特定研究的纳米孔类型取决于感兴趣的分析物，因为纳米孔和分析物尺寸应该相当，以产生可记录的离子电流变化。

例如，生物纳米孔可以检测直径范围为-1至10纳米（nm）的生物分子。 相比之下，固态纳米孔用于光学应用，包括数百万电子/离子、基于激光的光学蚀刻和超薄固态膜的介电击穿。

纳米孔的应用

尽管纳米孔最初是为了检测离子和小分子而开发的，特别是用于 DNA 测序目的，但该技术的应用范围已显着扩大。

纳米孔的主要优点有助于其广泛应用，包括能够连续高速捕获单个分子，将分析物的结构和化学性质转化为可测量的离子电流，以及识别用于信号放大的无标记物质。

单个蛋白质的结构分析和测序

固态纳米孔可以帮助提取蛋白质的一般特性，例如体积、偶极子和形状。 此外，生物素、适体、蛋白质结构域或抗体等配体可以直接与生物纳米孔结合，即使在血清等复杂介质存在的情况下也是如此。

除了识别蛋白质之外，纳米孔还可以充当单分子传感器，并提供有关蛋白质活性、动力学和构象变化的信息。 例如，通过将蛋白质捕获在生物纳米孔中，研究人员可以获得有关蛋白质保留在纳米孔中时的构象变化和动力学的信息。

尽管纳米孔无法提供有关单个酶活性的信息，但它们可以监测酶反应后产物的形成，特别是在无法进行常规光谱测定的情况下。

单分子化学

设计用于包含反应位点的生物纳米孔被称为蛋白质纳米反应器。 这些特定的纳米孔可以帮助分析附着在纳米孔内壁上的单个分子的键形成和键断裂事件，同时调节离子电流。 纳米反应器的其他应用包括植物化学、立体化学转化、聚合步骤和初级同位素效应的分析。

用于研究生物过程的纳米孔

细胞膜上有几个纳米大小的孔，充当细胞区室之间分子运输的大门。 为了更好地了解通过这些孔运输生物分子的机制，可以将它们从细胞中提取出来并对接到平面脂质膜上。 不幸的是，这种恢复方法极其困难； 因此，纳米孔为细胞生物学的研究提供了令人兴奋的机会。

各种基于纳米孔的工程系统可以在体外模拟生物孔，例如可以模拟可切换离子通道以研究离子泵以及离子和pH控制孔的不对称固态纳米孔。 此外，合成DNA折纸孔还可用于模拟配体门控离子通道，而生物纳米孔可设计用于模拟被动或主动膜转运蛋白。

核孔复合体 (NPC) 是一个较大的孔，调节细胞区室之间蛋白质和 RNA 的运输，也可以使用仿生 NPC 进行研究。 尽管可以获得有关 NPC 生物学功能的大量信息，但仿生 NPC 可以用于更好地了解这些生物孔的特定传输特性。

生物标志物的鉴定和定量

分析生物医学样品（例如体液、组织活检或其他生物样品（例如病毒、细菌和细胞培养物））中特定生物标志物的存在存在许多挑战。

例如，样品中的目标生物分子（其中许多是核酸或蛋白质）的浓度范围可以从数十阿托摩尔（10-18 M）到亚纳摩尔范围（10-9 M）。 此外，此类临床样品还含有各种其他可能干扰纳米孔传感器本身的生物分子。

为了克服这些限制，人们开发了各种智能生物测定和设备，利用纳米孔传感技术来分析临床样本。 例如，与纳米孔传感器集成的新型微流体装置可用于样品制备或分析物浓度检测。

此外，基于生物纳米孔的特定生化测定可以提高分子特异性，同时消除与背景分子的不需要的相互作用。 这种方法还可以减少样品制备过程中目标分子的损失，同时确保纳米孔免受周围生物分子可能的降解。

结论

纳米孔设计的改进将使这些技术能够推进并解决科学挑战。 此外，研究人员预计纳米孔将在从分子传感和测序到化学催化和生物物理表征的广泛领域中找到新的应用。

参考：

• Ying, Y., Hu, Z., Zhang, S., et al. (2022). Nanoporenbasierte Technologien über die DNA-Sequenzierung hinaus. Natur-Nanotechnologie. doi:10.1038/s41565-022-01193-2