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

圖1 除了DNA測序之外，納米孔技術在促進新知識和新技術發展方面具有巨大潛力的四個研究領域

研究發現，納米孔技術具有很多關鍵優勢。首先，納米孔能夠以相對較高的速率一個接一個地連續捕獲許多單分子，這使得納米孔能夠在合理的時間范圍內以單分子水平探索大量分子。其次，納米孔本質上是將分析物的結構和化學性質轉化為可測量的離子電流信號，甚至實現對映異構體的區分。

該技術可用于報告多個分子特征，同時不需要標記化學物質，從而避免使整個分析過程復雜化或影響分子結構。例如，納米孔可以以無標記的方式區分近13種不同的氨基酸，包括一些具有微小結構差異的氨基酸。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備噪音中的物質具有良好的識別能力，因此可以很好地用于精準醫學所需的分子診斷應用，實現核酸、蛋白質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解析

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

圖3 基于納米孔的仿生核孔復合物（NPCs）

圖4 限域空間內的聚合物化學反應

據麥姆斯咨詢報道，近日，來自南京大學（Nanjing University）、格羅寧根大學（University of Groningen）以及牛津大學（University of Oxford）等的研究人員在Nature Nanotechnology期刊上發表題為“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、化學催化和生物物理表征中的廣泛應用，強調了納米孔在單蛋白分析和測序、單分子共價化學、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實驗模型等方面的應用前景。

同時，研究人員指出，在充分發揮納米孔技術的潛力之前，仍有許多挑戰需要克服。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（例如蛋白質或多糖）的確切化學成分。具體來說，蛋白質由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，鑒于傳感區域的大小應該與單個生物聚合物單元的大小相當，在大部分情況下，納米孔需要定制。更重要的是，納米孔應該對構建單元的化學或物理特性最敏感，從而為每個單元產生可區分的離子電流特征。這可以通過對孔的內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，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計和DNA折紙支架的合成。這將突破當前工程方法的能力限制，實現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功能，以促進在納米孔限域空間內，共價和非共價反應的研究。

而設計具有定制結構、形狀和化學性質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境。通過利用在分子尺度上設計的納米孔，可以將催化位點引入蛋白質納米孔腔中；然后，被捕獲在納米孔內的反應物分子可以被催化形成產物，該產物進一步釋放并易位通過納米孔。這將為定制化學品的生產提供一種自下而上的方法。假設產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的時間內產生大約3.6?×?10?個產物。

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研究。最后，基于納米孔的生物醫學應用已經不限于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、代謝物和核酸）。鑒于納米孔應用的快速增長，納米孔技術很可能會成為單分子體外診斷的一項突出技術。





審核編輯：劉清