龙亿涛&胡正利Angew.：单个纳米孔识别传感新进展！

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研究内容

对含有家族性点突变的淀粉样蛋白-β(Aβ)肽的准确区分将提高对其在早发性阿尔茨海默病中作用的认识。

纳米孔传感主要基于分析由偏压驱动的穿过纳米孔的单分子诱导的离子流的调节。通常，离子电流信号由两个主要参数描述，即电流阻断幅度和持续时间以揭示单个分析物的特征，包括化学成分和分子结构。许多努力致力于放大不同分析物之间的电流阻塞和/或持续时间差异，包括纳米孔传感界面的修改和电解质溶液的离子强度或pH值的操作。除了电流阻断幅度和持续时间之外，纳米孔电流“噪声”已成为最近研究的一个有吸引力的主题，它淹没了关于分析物-纳米孔-离子相互作用的丰富信息。纳米孔电流“噪声”被发现与分析物有关，这可能是由于纳米孔传感空间内发生的不同相互作用动力学，这可能导致离子电流阻断的波动程度不同。

为了发现更多维度信息以增强对携带家族突变的Aβ肽的辨别能力，南京大学龙亿涛教授、胡正利课题组建立了一种描述电流阻塞特征的3D数据映射方法，其中引入了离子电流阻塞波动(σb)的标准偏差作为第三个用于准确和高效的纳米孔分析的参数。利用此方法鉴定了具有气溶素纳米孔的突变体A21G、E22G、E22Q和野生型(WT)Aβ18-26肽。相关工作以“3D Blockage Mapping for Identifying Familial Point Mutations in Single Amyloid-β Peptides with a Nanopore”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者开发的这种针对单个电流阻塞信号的3D数据映射策略，通过引入第三个参数离子电流阻断波动（σb）作为电流阻断(Ib/I0)和持续时间(tD)的新补充，来评估单个阻断事件的离子电流波动程度，以增强纳米孔对识别具有家族性点突变的Aβ肽的敏感。利用气溶素纳米孔实现了突变体A21G、E22Q、E22G和WT Aβ18-26肽的直接区分（Ib/I0、tD和σb）。σb的参数可以提高混合物中WT和A21G Aβ18-26的识别精度，从而将错误识别率降低一半。

要点2. 该工作是基于Ib/I0、log(tD)和σb组合的肽测量3D数据映射的首次研究工作，其中σb体现了不同于当前阻塞的独特信息维度和持续时间。体积差异较小的Aβ18-26肽产生非常不同且可辨别的σb特征，其他一些体积差异较大产生几乎相同的σb值。σb差异可能归因于肽的动态构象变化和纳米孔与肽之间的特征相互作用的协同结果。

该策略提供了一种可行的方法来分析和分类在当前阻断幅度中具有不可检测差异的单个信号，从而为具有非常细微的质量和电荷变化的单个分子的纳米孔传感带来新的见解。纳米孔实验和分子动力学模拟将致力于揭示离子电流波动、分子构象变化和纳米孔分析物相互作用之间的关系。为了追求纳米孔分析的足够灵敏度和高精度，3D阻塞作图方法将有利于纳米孔技术在单分子水平上对不限于Aβ肽的肽中的家族性退行性疾病相关突变进行无标记和精确测量，推进实施一级预防和有效治疗。

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研究图文

图1. 基于电流阻断波动标准偏差(σb)的气溶素纳米孔单分子传感。

图2. 通过WT气溶素纳米孔区分偶氮ODN异构体。

图3. 通过工程化的T232K/K238Q气溶素纳米孔检测WT和A21G Aβ18-26肽。

图4. 同时测量具有突变体T232K/K238Q气溶素纳米孔的混合物中的WT和A21G Aβ18-26肽。

图5. 使用T232K/K238Q气溶素纳米孔对在A21或E22位点具有单个氨基酸突变的Aβ18-26肽进行单分子分析。

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文献详情

3D Blockage Mapping for Identifying Familial Point Mutations in Single Amyloid-β Peptides with a Nanopore

Kai-Li Xin, Zheng-Li Hu,* Shao-Chuang Liu, Xin-Yi Li, Jun-Ge Li, Hongyan Niu, Yi-Lun Ying, Yi-Tao Long*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202209970