《德國應(yīng)用化學(xué)》VIP論文報道納米孔道中的單分子特征離子指紋圖譜
納米孔道是一種自然界廣泛存在的可運輸離子、水分子和生物分子的納米級孔道。生物納米孔道可由天然的蛋白質(zhì)構(gòu)成。近年來，研究人員利用電場力將單個分子牽引至單個生物納米孔道內(nèi)，排開孔道內(nèi)的部分離子，進(jìn)而產(chǎn)生特征的離子流阻斷信號反應(yīng)了單分子的化學(xué)組成、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等信息，這便是納米孔道單分子電化學(xué)的基本原理。納米孔道內(nèi)壁氨基酸殘基、質(zhì)子、離子及單個傳輸分子之間發(fā)生的協(xié)同弱相互作用還會引起限域空間內(nèi)幾十個離子的瞬態(tài)變化，其產(chǎn)生的極微小的離子流信號常常被掩蓋在納米孔道的電流噪聲中，使得這些單分子特征信息無法獲取。
龍億濤教授團(tuán)隊多年聚焦于對電化學(xué)高精度測量儀器的研制，通過新的復(fù)雜信息提取方式，獲取了納米孔道離子流信號的瞬時頻率，發(fā)展了單分子時頻譜學(xué)分析技術(shù)，闡明了納米孔道電流中低頻域區(qū)頻率特征值的物理化學(xué)特性，提出了單分子頻率指紋圖譜的數(shù)學(xué)模型，建立起孔道內(nèi)離子指紋圖譜的譜學(xué)分析方法，實現(xiàn)了對突變Aerolysin納米孔道內(nèi)離子相互作用網(wǎng)絡(luò)特性的預(yù)測。
圖1. 納米孔道中的單分子特征離子指紋圖譜分析方法(A)納米孔道單分子電化學(xué)測量原理圖（左）；單個模型分子poly(dA)4通過Aerolysin納米孔道產(chǎn)生的離子流特征信號（右上），及該信號被經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)后獲得的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)；(B)經(jīng)希爾伯特-黃瞬時頻率分析變換后的單分子特征離子頻率譜圖；(C)低頻域區(qū)下單分子特征離子頻率譜圖。
研究團(tuán)隊將單個單個模型生物分子poly(dA)4穿過Aerolysin蛋白質(zhì)孔道所獲得的離子流電號經(jīng)過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)及希爾伯特譜分析(HAS)，獲得了信號在整個測量頻率相應(yīng)范圍內(nèi)的單分子特征離子頻率譜圖，提取了特征峰值頻率(fm)和峰值振幅(am)。通過研究不同pH、電解質(zhì)濃度及類型、外加電壓、溫度等條件下的單分子特征頻率指紋圖譜變化，發(fā)現(xiàn)離子、單個傳輸分子、納米孔道內(nèi)壁氨基酸殘基間的可逆平衡調(diào)節(jié)了質(zhì)子、離子與納米孔道的結(jié)合/解離過程，影響了離子流電信號的低頻組分。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊總結(jié)了特征頻率的物理化學(xué)特性，即fm反映了納米孔道內(nèi)離子與孔道內(nèi)壁氨基酸殘基間的解離速率，am描述了納米孔道內(nèi)壁氨基酸殘基在限域相互作用網(wǎng)絡(luò)下的結(jié)合離子數(shù)目。
圖2.特征峰值頻率(fm)和峰值振幅(am)的影響因素研究(A) pH；(B)離子強度；(C)離子種類；(D)實驗溫度；(E) 施加電壓。揭示離子相互作用網(wǎng)絡(luò)的峰值頻率(上)和峰值振幅(下)。
圖3. 單分子特征離子指紋圖譜及預(yù)測研究(A)系列238位點突變型AeL納米孔道238（左）及特征峰值頻率(fm)的相關(guān)性分析（右）；(B)特征峰值頻率(fm)與突變氨基酸等電點，單分子阻斷時間，突變氨基酸范德華體積間的非線性依賴關(guān)系；(C) 238位點突變型AeL納米孔道的單分子特征離子指紋圖譜預(yù)測模型。
為進(jìn)一步驗證單分子特征離子指紋圖譜的普適性，研究人員構(gòu)建了系列238位點突變型Aerolysin納米孔道，改變了納米孔道靈敏探測區(qū)域內(nèi)氨基酸殘基與單個生物分子的相互作用，歸納了氨基酸殘基的化學(xué)特性對頻率指紋特性的影響規(guī)律。實驗結(jié)果顯示，在無分析物存在于納米孔道的情況下，特征峰值頻率(fm)與體系電導(dǎo)相關(guān)；而在有單個分子通過納米孔道的時候，特征峰值頻率(fm)與突變位點氨基酸殘基化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性顯著增加。進(jìn)一步，利用多元回歸分析建立了單分子頻率指紋圖譜經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，描述了離子指紋圖譜特征fm和氨基酸殘基電性、范德華體積、親疏水性等物理化學(xué)特征間的關(guān)系，實現(xiàn)了對突變型納米孔道離子指紋圖譜頻率特征的預(yù)測。該方法有助于精準(zhǔn)探測納米孔道單分子動態(tài)相互作用，實現(xiàn)納米孔道單分子蛋白質(zhì)測序。
相關(guān)成果以“Single-Molecule Frequency Fingerprint for Ion Interaction Networks in a Confined Nanopore”為題(VIP Paper)，發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202108226
該工作得到了國家自然科學(xué)重大科研儀器研制項目及優(yōu)秀青年基金項目、南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院的支持，南京大學(xué)化學(xué)專業(yè)博士研究生李欣怡為論文的第一作者，應(yīng)佚倫教授和龍億濤教授為論文的通訊作者。
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