【纳米】南京大学黄硕课题组ACS Nano：工程化纳米孔实现单分子翻转的动态监测
日期：2023-01-29
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270 评论：0 核心提示：自然界中许多共价结合的分子并不是一成不变的，它们的分子在不停地翻转，分子翻转可能会导致分子构型的变化。由于缺乏有利的工具
自然界中许多共价结合的分子并不是一成不变的，它们的分子在不停地翻转，分子翻转可能会导致分子构型的变化。由于缺乏有利的工具，单个分子的翻转很难被实时监测。生物纳米孔是一类单分子传感器，它具有很好的时间和空间分辨率。工程化的生物纳米孔可用作纳米反应器以监测很多动态的化学过程。当单个分子通过化学键与纳米孔连接时，分子的翻转过程很容易被纳米孔捕获，但是相关工作却鲜有报道。
顺式二醇可以与硼酸结合形成硼酸酯，该反应广泛用于顺式二醇类物质如碳水化合物等的检测和分离。许多硼酸酯分子的翻转会引起手性构型的改变，但由于缺乏合适的方法，对该动态过程的直接观测从未被报道过。南京大学化学化工学院黄硕教授课题组原创开发了异质MspA纳米孔，并在孔道的90号位点处引入单个苯硼酸修饰实现了糖类、核苷酸和糖醇的检测
1-4
，
但这些工作都没有聚焦于手性硼酸酯分子的翻转。近日，
黄硕
教授课题组在此基础上开发了
91号位点修饰苯硼酸的异质MspA纳米孔（MspA-91PBA），并实现了对手性硼酸酯分子翻转的动态观测
（图1）。当顺式二醇分子与MspA-91PBA结合形成手性硼酸酯时，硼酸酯分子的翻转会引起构型变化，信号则会在两个电流水平切换；而当顺式二醇分子与MspA-91PBA结合形成非手性硼酸酯时，由于分子翻转不会引起构型变化，电流平台也维持在单一水平而没有切换现象。该团队使用多种儿茶酚及其衍生物、多巴胺、腺苷、1,2-丙二醇、（
2R,3R
）-2，3-丁二醇与MspA-91PBA结合验证了该结论的普适性以及该方法的通用性。
图1. 工程化MspA纳米孔监测分子翻转（图片来源自该作者）
该团队还研究了pH对手性硼酸酯分子翻转的影响（图2）。在低pH下，手性硼酸酯分子翻转速率快，在高pH下，翻转速率慢。利用pH对分子翻转速率的调节，该团队还实现了6种卤代邻苯二酚（3-氟邻苯二酚、3-氯邻苯二酚、3-溴邻苯二酚、4-氟邻苯二酚、4-氯邻苯二酚和4-溴邻苯二酚）的区分，证明了MspA的超高分辨率。虽然该团队仅使用手性硼酸酯分子的翻转作为模型，通过对生物纳米孔的合理改造，该方法可以用于各种类型分子翻转的动态监测，并有助于相关小分子传感器的设计。
图2. pH对手性硼酸酯分子翻转的影响（图片来源自该作者）
该工作于2023年1月19日在
ACS Nano
发表相关论文，南京大学化学化工学院
黄硕
教授为该论文通讯作者。南京大学博士生
杜筱谕
和
张善雨
为该论文共同第一作者。
Single-Molecule Interconversion between Chiral Configurations of Boronate Esters Observed in a Nanoreactor
Xiaoyu Du, Shanyu Zhang, Liying Wang, Yuqin Wang, Pingping Fan, Wendong Jia, Panke Zhang, and Shuo Huang*
ACS Nano
,
2023
, DOI: 10.1021/acsnano.2c11286
1.Liu, Y.; Zhang, S.; Wang, Y.; Wang, L.; Cao, Z.; Sun, W.; Fan, P.; Zhang, P.; Chen, H.-Y.; Huang, S., Nanopore Identification of Alditol Epimers and Their Application in Rapid Analysis of Alditol-Containing Drinks and Healthcare Products.
J. Am. Chem. Soc
.
2022
,
144
(30), 13717-13728.
2.Wang, Y.; Fan, P.; Zhang, S.; Wang, L.; Li, X.; Jia, W.; Liu, Y.; Wang, K.; Du, X.; Zhang, P., Discrimination of Ribonucleoside Mono-, Di-, and Triphosphates Using an Engineered Nanopore.
ACS nano
2022
,
16
(12), 21356-21365.
3.Wang, Y.; Zhang, S.; Jia, W.; Fan, P.; Wang, L.; Li, X.; Chen, J.; Cao, Z.; Du, X.; Liu, Y., Identification of nucleoside monophosphates and their epigenetic modifications using an engineered nanopore.
Nat. Nanotechnol
.
2022
,
17
(9), 976-983.
4.Zhang, S.; Cao, Z.; Fan, P.; Wang, Y.; Jia, W.; Wang, L.; Wang, K.; Liu, Y.; Du, X.; Hu, C.; Zhang, P.; Chen, H.-Y.; Huang, S., A Nanopore-based Saccharide Sensor.
Angew. Chem., Int. Ed
.
2022
,
134
(33), e202203769.
https://www.x-mol.com/university/faculty/56491
http://hysz.nju.edu.cn/bionano
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