納米孔技術(shù)（Nanopore technology）最初是為了實現(xiàn)離子和小分子的隨機傳感而開發(fā)的。隨后，針對納米孔技術(shù)開展的許多工作都集中在DNA測序的應(yīng)用研究方面。然而，目前，納米孔技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)遠遠超出了DNA測序范疇，可用于分析不同生化系統(tǒng)中的分子異質(zhì)性和隨機過程（圖1）。

圖1 除了DNA測序之外，納米孔技術(shù)在促進新知識和新技術(shù)發(fā)展方面具有巨大潛力的四個研究領(lǐng)域

研究發(fā)現(xiàn)，納米孔技術(shù)具有很多關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，納米孔能夠以相對較高的速率一個接一個地連續(xù)捕獲許多單分子，這使得納米孔能夠在合理的時間范圍內(nèi)以單分子水平探索大量分子。其次，納米孔本質(zhì)上是將分析物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為可測量的離子電流信號，甚至實現(xiàn)對映異構(gòu)體的區(qū)分。

該技術(shù)可用于報告多個分子特征，同時不需要標記化學(xué)物質(zhì)，從而避免使整個分析過程復(fù)雜化或影響分子結(jié)構(gòu)。例如，納米孔可以以無標記的方式區(qū)分近13種不同的氨基酸，包括一些具有微小結(jié)構(gòu)差異的氨基酸。特別是，納米孔對一些缺乏合適的信號放大標記，或其信息隱藏在分析設(shè)備噪音中的物質(zhì)具有良好的識別能力，因此可以很好地用于精準醫(yī)學(xué)所需的分子診斷應(yīng)用，實現(xiàn)核酸、蛋白質(zhì)或代謝物等分析物以及其他生物標志物的鑒定。

圖2 基于納米孔的蛋白質(zhì)解析

此外，對于涉及復(fù)雜的生物分子相互作用的仿生系統(tǒng)，納米孔為實現(xiàn)其可控設(shè)計和構(gòu)建提供了良好的架構(gòu)基礎(chǔ)。具體地，生物分子在轉(zhuǎn)運過程中與納米孔表面相互作用時，納米孔仿生系統(tǒng)會跟蹤其結(jié)合動力學(xué)，從而解析復(fù)雜的生物過程（例如，核孔復(fù)合物的轉(zhuǎn)運特性）。最后，化學(xué)基團可以在蛋白質(zhì)納米孔內(nèi)進行空間排列，從而為位點選擇性或區(qū)域選擇性共價化學(xué)提供限域空間。該策略已被用于設(shè)計蛋白質(zhì)納米反應(yīng)器以監(jiān)測斷鍵和成鍵事件。

圖3 基于納米孔的仿生核孔復(fù)合物（NPCs）

圖4 限域空間內(nèi)的聚合物化學(xué)反應(yīng)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，來自南京大學(xué)（Nanjing University）、格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）以及牛津大學(xué)（University of Oxford）等的研究人員在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表題為“Nanopore-based technologies beyond DNA sequencing”的綜述論文，概述了納米孔在分子傳感和測序、化學(xué)催化和生物物理表征中的廣泛應(yīng)用，強調(diào)了納米孔在單蛋白分析和測序、單分子共價化學(xué)、單分子液體活檢的臨床傳感以及使用合成仿生納米孔作為自然系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ偷确矫娴膽?yīng)用前景。

同時，研究人員指出，在充分發(fā)揮納米孔技術(shù)的潛力之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。例如，有必要提高傳感精度和時間分辨率，以揭示單一生物聚合物（例如蛋白質(zhì)或多糖）的確切化學(xué)成分。具體來說，蛋白質(zhì)由20個天然氨基酸和超過10個單糖單元的多糖組成，而DNA中只有4個核堿基。因此，鑒于傳感區(qū)域的大小應(yīng)該與單個生物聚合物單元的大小相當(dāng)，在大部分情況下，納米孔需要定制。更重要的是，納米孔應(yīng)該對構(gòu)建單元的化學(xué)或物理特性最敏感，從而為每個單元產(chǎn)生可區(qū)分的離子電流特征。這可以通過對孔的內(nèi)表面進行細致地功能化以控制生物聚合物和納米孔之間的相互作用來實現(xiàn)，從而提供所需的靈敏度、選擇性和捕獲效率。

研究人員進一步指出，在未來的研究中，其中一個有趣的探索方向是納米孔的從頭設(shè)計和DNA折紙支架的合成。這將突破當(dāng)前工程方法的能力限制，實現(xiàn)納米孔大小和形狀的定制。而非天然氨基酸的使用可以擴展生物納米孔的多種化學(xué)功能，以促進在納米孔限域空間內(nèi)，共價和非共價反應(yīng)的研究。

而設(shè)計具有定制結(jié)構(gòu)、形狀和化學(xué)性質(zhì)的納米孔的能力將為精確控制單分子催化提供一個良好的環(huán)境。通過利用在分子尺度上設(shè)計的納米孔，可以將催化位點引入蛋白質(zhì)納米孔腔中；然后，被捕獲在納米孔內(nèi)的反應(yīng)物分子可以被催化形成產(chǎn)物，該產(chǎn)物進一步釋放并易位通過納米孔。這將為定制化學(xué)品的生產(chǎn)提供一種自下而上的方法。假設(shè)產(chǎn)物形成的最終速度可能是每個分子1?ms，則100個納米孔陣列并行工作將在不到1?h的時間內(nèi)產(chǎn)生大約3.6?×?10?個產(chǎn)物。

此外，納米孔也越來越多地用作力傳感器，對各種生物分子進行受控定位、捕獲和定向，從而用于單分子生物物理學(xué)研究。最后，基于納米孔的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用已經(jīng)不限于DNA測序和表觀遺傳修飾分析，目前已拓展用于檢測生物流體和其他生物樣本中的分子生物標志物（蛋白質(zhì)、代謝物和核酸）。鑒于納米孔應(yīng)用的快速增長，納米孔技術(shù)很可能會成為單分子體外診斷的一項突出技術(shù)。





審核編輯：劉清