納米孔傳感技術(shù)作為一種新興的單分子檢測(cè)手段，以其多功能性在分析檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。典型納米孔傳感主要基于分子在納米孔道內(nèi)的緩慢易位過程，通過檢測(cè)由此產(chǎn)生的電流阻斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)分子識(shí)別。為延長(zhǎng)分子在孔道內(nèi)的停留時(shí)間，研究者開發(fā)了多種策略，包括利用馬達(dá)蛋白輔助調(diào)控、增強(qiáng)孔道-分析物相互作用以及設(shè)計(jì)具有空間位阻效應(yīng)的納米孔結(jié)構(gòu)等。盡管如此，這種減速易位模式仍面臨信號(hào)精度不足、分辨率有限等挑戰(zhàn)，尤其在復(fù)雜糖鏈化合物的檢測(cè)中表現(xiàn)突出。由于糖鏈分子具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、異構(gòu)體多樣等特性，亟需發(fā)展具有高分辨率高解析力的納米孔傳感策略進(jìn)行破局。 人參皂苷是一類源自人參屬植物的糖苷類化合物，具有顯著的藥理活性。其結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為苷元骨架上連接有一個(gè)或兩個(gè)糖鏈。由于糖鏈組成、糖苷鍵構(gòu)型、連接方式、修飾基團(tuán)以及苷元骨架的多樣性，人參皂苷存在大量同分異構(gòu)體，這使得其結(jié)構(gòu)解析與精準(zhǔn)識(shí)別面臨巨大挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所卿光焱研究員、李閔閔副研究員團(tuán)隊(duì)與梁鑫淼研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過設(shè)計(jì)工程化的氣單胞菌溶素（Aerolysin）突變體S278K納米孔，利用其獨(dú)特的非易位型納米孔堵塞傳感機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)30種人參皂苷分子的高分辨單分子識(shí)別，并進(jìn)一步完成了在復(fù)雜產(chǎn)物中的定性與定量分析。
研究團(tuán)隊(duì)圍繞野生型Aerolysin進(jìn)行理性設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)工程化改造，發(fā)現(xiàn)S278K突變體在孔內(nèi)K278-R220區(qū)域表現(xiàn)出更小的孔徑和更高的電荷密度，促使其產(chǎn)生更強(qiáng)的電滲流，能夠誘捕溶液中的人參皂苷分子進(jìn)入孔道。在受到空間壁壘的影響和來自孔壁賴氨酸和精氨酸等殘基的氫鍵作用后，進(jìn)孔的人參皂苷分子被困在該區(qū)域，并停留數(shù)十到數(shù)百毫秒，形成了非易位堵塞傳感。與野生型相比，S278K突變體納米孔的堵塞信號(hào)持續(xù)時(shí)間提升43倍，分辨率提高77%，對(duì)人參皂苷分子展現(xiàn)出了高分辨的識(shí)別能力。 研究團(tuán)隊(duì)遂采用S278K突變體作為納米孔堵塞傳感器，對(duì)多種人參皂苷進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。通過解析堵塞電流信號(hào)的三個(gè)關(guān)鍵特征參數(shù)——堵塞電流幅值、堵塞持續(xù)時(shí)間和電流振幅標(biāo)準(zhǔn)差，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)30種含有多種異構(gòu)體的人參皂苷（包括糖基組成、連接、修飾和苷元類型等差異）在單分子水平上的精準(zhǔn)區(qū)分。值得注意的是，該方法即使在模擬混合樣品體系中，仍能保持優(yōu)異的識(shí)別能力，為復(fù)雜體系中糖苷類化合物的單分子檢測(cè)帶奠定了基礎(chǔ)。 研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用單分子納米孔堵塞信號(hào)，開發(fā)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能納米孔數(shù)據(jù)分析模型。該模型在測(cè)試集中展現(xiàn)出優(yōu)秀的識(shí)別性能，對(duì)多種人參皂苷的單分子識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)91.2%。該模型能對(duì)人參植物總苷提取物中的各人參皂苷組分進(jìn)行精準(zhǔn)的定性鑒別和定量分析。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了不同人參屬植物的人參皂苷分子指紋圖譜，為中藥材的快速鑒別和質(zhì)量控制提供了一種新的技術(shù)手段。 該研究充分體現(xiàn)了納米孔單分子傳感技術(shù)在復(fù)雜基質(zhì)中糖苷類化合物識(shí)別分析方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；建立了“納米孔傳感-人工智能分析”聯(lián)用技術(shù)，為人參相關(guān)食品、藥品等的質(zhì)量控制提供了有效手段。尤為重要的是，本研究提出的非易位堵塞傳感策略，為結(jié)構(gòu)異質(zhì)性糖鏈小分子的精準(zhǔn)識(shí)別構(gòu)建了普適性方法學(xué)框架，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。 論文信息 Identification of Isomerically Diverse Ginsenosides Using Engineered Aerolysin Nanopore via Non-Translocation Blockade Sensing Jing Wang, Prof. Dr. Minmin Li, Chen Zhang, Dr. Xinjia Zhao, Dr. Yuting Xiong, Yuchen Cao, Dongdong Wang, Dr. Xiaonong Li, Prof. Dr. Xinmiao Liang, Prof. Dr. Guangyan Qing Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506741
