释放纳米孔的力量新的设计方法扩大了单分子分析的机会

跨膜β桶状孔(TMB)广泛用于单分子DNA和RNA测序。它们使各种传感和测序应用小型化，成为便携式USB大小的设备和即时诊断技术。比利时和美国研究人员团队现在描述了一种从头设计具有自定义形状和属性的TMB孔的通用方法，为单分子分析开辟了新的机会。他们的研究结果发表在《科学》杂志上。

蛋白质纳米孔是分析生物学领域的圣杯。这些纳米大小的蛋白质在脂质膜上形成规则的孔，广泛用于单分子DNA和RNA测序。它们具有巨大的潜力，可以推动广泛的传感和测序应用，将它们从专业实验室带到便携式设备中。然而，目前设计纳米孔传感器的方法仅限于天然存在的蛋白质，这些蛋白质已经进化为具有非常不同的功能，并不是传感器开发的理想起点。

由比利时VIB-VUB结构生物学中心和美国华盛顿大学医学院领导的研究接受了从头开始设计这些蛋白质“桶”的挑战，最终目标是在分子水平上控制形状和化学性质。

借助计算设计，研究人员开发出设计稳定纳米孔通道的方法，这些通道的孔形状、大小和电导率可调。与天然孔相比，设计的TMB产生的信号非常稳定且安静。SheenaRadford(利兹大学)和SebastianHiller(巴塞尔大学生物中心)实验室的合作者发现，这些设计可以折叠成稳定的3D结构。这为从头设计纳米孔通道打开了大门，这些通道适用于研究和工业领域中许多感兴趣的应用。

“这些进展非常令人兴奋。几年前，当我们开始提出这个想法时，许多人认为这是不可能的，因为β片层的设计和折叠非常复杂，更不用说脂质膜了。现在我们已经证明，我们可以成功设计出具有高成功率的纳米孔，这些纳米孔具有稳定且可重复的电导率，”VIB-VUB结构生物学中心组长AnastassiaVorobieva博士说。

下一步，研究人员将测试他们的设计方法。能够检测代谢物等极小分子的纳米孔将成为代谢组学和诊断分析的极其有用的工具，而目前这需要大型专业实验室设备。由于蛋白质-配体相互作用的复杂性，功能性小分子传感器的设计仍然具有挑战性。因此，孔的形状必须与目标小分子高度互补。

华盛顿大学医学院生物化学教授兼霍华德休斯医学研究所研究员DavidBaker实验室的团队成功设计出能够特异性结合小分子代谢物的新型蛋白质。他们将蛋白质分成三部分，并将各部分融合到TMB孔的环中。他们发现，使用此类结构可以直接检测单分子结合事件。

“此次合作很好地展示了蛋白质设计的巨大潜力。我们现在无需重新利用自然界的生物分子，而是可以根据第一原理创造我们想要的功能，”华盛顿大学医学院教授兼HHMI研究员DavidBaker博士评论道。

这些积极的结果证明，纳米孔设计可以补充质谱法和其他需要大型实验室和大型设备的分析方法，因为该技术体积更小、更易于获取。虽然我们距离这一点还有很长的路要走，但研究人员设想，未来带有不同纳米孔的便携式设备可以感知一系列代谢物、蛋白质和小分子，甚至可以进行生物分子测序。