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南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃碩課題組Nature子刊報(bào)道首個(gè)可編程納米孔單分子反應(yīng)器

來源:南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院      2021-10-12
導(dǎo)讀:近日,南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃碩教授課題組報(bào)道了一種可編程納米孔單分子反應(yīng)器技術(shù)(Programmable Nano-Reactors for Stochastic Sensing, PNRSS, /p’na:s/),并借此方法快速構(gòu)建了5種納米孔單分子反應(yīng)器,報(bào)告了20個(gè)單分子化學(xué)反應(yīng)。

化學(xué)反應(yīng)通常以單分子形式進(jìn)行描述,卻極少在單分子水平上被監(jiān)測(cè)和表征,目前對(duì)化學(xué)反應(yīng)的分析大多是基于體系內(nèi)總體平均的結(jié)果,然而,平均效應(yīng)會(huì)掩蓋單分子行為造成一些重要信息的丟失。極少先進(jìn)的單分子分析儀器可以報(bào)告單分子不同方面的特性,生物納米孔算是其中最具“性價(jià)比”的技術(shù),它適合研究水相環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng),提供較高的分辨率。然而,由于解析單分子化學(xué)的納米孔反應(yīng)器構(gòu)建十分困難,這種酷炫的技術(shù)遇到了技術(shù)瓶頸。因此,亟需一種技術(shù)突破,可以實(shí)現(xiàn)任何類型,數(shù)量或空間組合的反應(yīng)位點(diǎn),完全自由地放置在納米孔道內(nèi)任何位置上,以此實(shí)現(xiàn)最大自由度地構(gòu)建納米孔單分子反應(yīng)器。

近日,南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃碩教授課題組報(bào)道了一種可編程納米孔單分子反應(yīng)器技術(shù)Programmable Nano-Reactors for Stochastic Sensing, PNRSS, /p’na:s/),并借此方法快速構(gòu)建了5種納米孔單分子反應(yīng)器,報(bào)告了20個(gè)單分子化學(xué)反應(yīng)。該技術(shù)巧妙地將功能化反應(yīng)位點(diǎn)設(shè)計(jì)在DNA鏈上,DNA鏈在納米孔中電場(chǎng)力作用下充分拉伸,并利用親和素阻擋,防止穿過孔道,DNA鏈上暴露的反應(yīng)位點(diǎn),可以與自由轉(zhuǎn)移的分析物結(jié)合,匯報(bào)信號(hào)。這條DNA鏈被定義為PNRSS鏈,由功能模塊組成,在反應(yīng)區(qū)域的反應(yīng)位點(diǎn)可以進(jìn)行任意功能化修飾,并且該位點(diǎn)與納米孔識(shí)別區(qū)域的相對(duì)位置可以通過延伸區(qū)域進(jìn)行微調(diào),以滿足不同的分析需求,實(shí)現(xiàn)最大限度可編程性。

天然的核酸堿基,如鳥嘌呤、腺嘌呤或它們的任何組合,可以作為配體與金屬離子結(jié)合。在PNRSS技術(shù)的第一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)中,以雙鳥嘌呤作為配體,協(xié)同結(jié)合Ni2+離子,匯報(bào)出信號(hào)(圖1)。通過對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行理論模擬,發(fā)現(xiàn)N(7)O(6)原子在Ni2+配位中起關(guān)鍵作用。 

1.PNRSS技術(shù)的概念演示

除了天然堿基,更多人工合成的修飾堿基單體,為PNRSS鏈的設(shè)計(jì)和合成提供了極大的自由,徹底拓寬了PNRSS技術(shù)的應(yīng)用。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中,PNRSS鏈上合成引入一個(gè)包含炔基的胸腺嘧啶衍生物,通過點(diǎn)擊反應(yīng)修飾含有各種功能化基團(tuán)的疊氮基衍生物,進(jìn)一步闡述PNRSS技術(shù)。

去甲腎上腺素、腎上腺素和異丙腎上腺素是三種兒茶酚胺衍生物,在生命體內(nèi)具有不同的功能。這些功能上的差異是由于它們化學(xué)結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化造成的。通過在PNRSS鏈上修飾苯硼酸基團(tuán),三種兒茶酚胺衍生物在PNRSS測(cè)量中匯報(bào)出豐富的化學(xué)反應(yīng)信息,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)混合樣品中傳感事件的自動(dòng)識(shí)別,準(zhǔn)確率高達(dá)98.0%(圖2)。 



2. PNRSS技術(shù)同時(shí)傳感和鑒定去甲腎上腺素,腎上腺素和異丙腎上腺素

瑞德西韋是一種抗病毒藥物,作用是阻斷RNA依賴的聚合酶,阻止病毒進(jìn)一步復(fù)制,在細(xì)胞中代謝轉(zhuǎn)化為其活性的三磷酸形式。使用PNRSS技術(shù),可以在限域空間中確定瑞德西韋及其代謝物與苯硼酸的單分子結(jié)合動(dòng)力學(xué),并實(shí)現(xiàn)了二者的直接鑒別。以上演示擴(kuò)大了PNRSS技術(shù)可研究的反應(yīng)物類型,可能會(huì)啟發(fā)藥物動(dòng)力學(xué)或藥物篩選的應(yīng)用(圖3)。 



3.PNRSS技術(shù)傳感核苷類似物抗病毒藥物瑞德西韋及其三磷酸代謝產(chǎn)物

此前報(bào)道的納米孔單分子化學(xué)的研究大多局限于可逆反應(yīng),因?yàn)槿魏伟l(fā)生在納米孔腔內(nèi)反應(yīng)位點(diǎn)的不可逆反應(yīng)都將終止新的化學(xué)信息的產(chǎn)生。然而,在PNRSS技術(shù)中,含有反應(yīng)位點(diǎn)的PNRSS鏈可以通過電壓與孔道分離或是重新加載,可以重復(fù)監(jiān)測(cè)一個(gè)不可逆的單分子反應(yīng),這是PNRSS技術(shù)的獨(dú)特性(圖4)。


 


4. PNRSS技術(shù)對(duì)不可逆化學(xué)反應(yīng)的反復(fù)測(cè)量

PNRSS技術(shù)的出現(xiàn)打破了納米孔單分子化學(xué)研究中構(gòu)建納米反應(yīng)器的技術(shù)瓶頸,可以將任何數(shù)量或類型的活性基團(tuán)引入納米孔腔的任何點(diǎn)。有了PNRSS技術(shù),原本針對(duì)納米孔進(jìn)行的蛋白質(zhì)工程改造,已經(jīng)轉(zhuǎn)化為合成功能性的DNA,這是無數(shù)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或公司提供的一項(xiàng)低成本服務(wù),大大降低了納米孔單分子化學(xué)研究工作的門檻。

該工作以“Programmable nano-reactors for stochastic sensing”為題,于2021104日發(fā)表于《Nature Communications》(文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26054-9,DOI: 10.1038/s41467-021-26054-9)。我院博士生賈文東為該論文第一作者,我院黃碩教授為論文通訊作者,陳洪淵院士對(duì)該工作做出了重要指導(dǎo)。我院馬晶教授,博士生顧玉明在理論計(jì)算方面提供了大力幫助。此項(xiàng)研究得到了生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)的重要支持。國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào):31972917,91753108,21675083)、江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進(jìn)計(jì)劃(個(gè)人、團(tuán)體計(jì)劃)、江蘇省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào):BK20200009)、南京大學(xué)卓越計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):ZYJH004)、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、南京大學(xué)生命科學(xué)分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(項(xiàng)目編號(hào):5431ZZXM1902)、南京大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。


參考資料:https://chem.nju.edu.cn/43/e7/c12639a541671/page.htm

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