糖是一類具有重要生物學功能的大分子，具有高度復雜的化學結構。目前，糖的結構解析依賴于傳統的色譜法、質譜法和核磁法等結構表征手段。雖然這些方法相對成熟，但存在檢測步驟復雜、無法實時動態檢測等局限性，無法滿足糖基礎和應用科研需求。與另一類生物大分子核酸已實現高通量測序相比，糖的結構解析技術滯后。生物納米孔作為高度敏感的傳感器，應用于核酸分子以及多肽測序，而在糖測序方向是否可行尚未被證實。

近期，中國科學院上海藥物研究所研究員高召兵/副研究員夏冰清（納米孔方向）、研究員文留青（糖化學方向）與研究員程曦（計算生物學方向）等，設計并構建了一種工程改造的生物納米孔，識別和捕捉到糖分子官能團乙酰氨基和羧基的特征電信號，描繪了含有這兩種官能團不同聚合度糖的電信號指紋圖譜，并運用于混合體系中不同糖分子的結構鑒定。

該工作為以生物納米孔為基礎的糖測序技術打開一扇門。相關研究成果以“Mapping the Acetylamino and Carboxyl Groups on Glycans by Engineered α-Hemolysin Nanopores”為題，在線發表在《美國化學會志》（JACS）上，并被選為封面文章。

科研團隊將納米孔α-溶血素（α-HL）的敏感位點113位的甲硫氨酸（M）作了基因工程改造，通過對極性、體積、電荷等氨基酸篩選，獲得敏感性、特異性最佳的工程納米孔M113R。該研究利用該納米孔清晰地表征了單糖分子中乙酰氨基和羧基兩種糖官能團的電流信號，并建立了兩種糖官能團結構與電信號對應的指紋圖譜。該團隊利用分子動力學模擬和基因突變進一步剖析了糖分子進入該納米孔中的動態過程，明確了納米孔M113R識別兩種官能團的分子機制。

基于此，該研究利用兩種官能團的特征電信號繪制了含有乙酰氨基和羧基寡糖的指紋圖譜。該工作采用指紋圖譜在糖混合體系中識別了含有兩種基團的單糖、二糖和三糖。這一技術采用工程改造的納米孔，無需對糖進行額外化學修飾或橋接。這一概念驗證研究為高效建立糖分子指紋圖譜庫奠定了重要基礎。



電信號指紋圖譜識別混合體系中單糖、二糖和三糖

糖類化學信息的高效表征是糖結構解析中的關鍵挑戰。與其他根據化學位移或峰強度信息的技術不同，該研究依據特征電信號分析糖分子結構信息，獲得糖分子中特定官能團的特征信號，將分子結構信息與傳感事件產生的特征電信號直接聯系。研究發現，特征電信號能表征單糖分子的特殊結構，并可同時精確解讀寡糖鏈的聚合度的大小，從多個維度反映糖分子結構的多方面特征。

該工作獲得的糖電信號指紋圖譜是基于納米孔糖結構鑒定分析的重要一步。同時，該研究提出了基于納米孔糖測序的可能路線。隨著對糖分子更多官能團和其他特定結構的鑒定，該團隊逐步完善糖分子指紋圖譜的全方位繪制，建立了基于電信號的糖指紋圖譜庫，有望實現不同于現有技術路線的高效糖結構表征——納米孔糖測序。

審核編輯：劉清