纳米孔道是一种自然界广泛存在的可运输离子、水分子和生物分子的纳米级孔道。生物纳米孔道可由天然的蛋白质构成。近年来，研究人员利用电场力将单个分子牵引至单个生物纳米孔道内，排开孔道内的部分离子，进而产生特征的离子流阻断信号反应了单分子的化学组成、质量、结构等信息，这便是纳米孔道单分子电化学的基本原理。纳米孔道内壁氨基酸残基、质子、离子及单个传输分子之间发生的协同弱相互作用还会引起限域空间内几十个离子的瞬态变化，其产生的极微小的离子流信号常常被掩盖在纳米孔道的电流噪声中，使得这些单分子特征信息无法获取。龙亿涛教授团队多年聚焦于对电化学高精度测量仪器的研制，通过新的复杂信息提取方式，获取了纳米孔道离子流信号的瞬时频率，发展了单分子时频谱学分析技术，阐明了纳米孔道电流中低频域区频率特征值的物理化学特性，提出了单分子频率指纹图谱的数学模型，建立起孔道内离子指纹图谱的谱学分析方法，实现了对突变Aerolysin纳米孔道内离子相互作用网络特性的预测。图1. 纳米孔道中的单分子特征离子指纹图谱分析方法 （A）纳米孔道单分子电化学测量原理图（左）；单个模型分子poly(dA)4通过Aerolysin纳米孔道产生的离子流特征信号（右上），及该信号被经验模态分解（EEMD）后获得的本征模态函数（IMF）；(B)经希尔伯特-黄瞬时频率分析变换后的单分子特征离子频率谱图；（C）低频域区下单分子特征离子频率谱图。研究团队将单个单个模型生物分子poly（dA）4穿过Aerolysin蛋白质孔道所获得的离子流电号经过经验模态分解（EMD）及希尔伯特谱分析（HAS），获得了信号在整个测量频率相应范围内的单分子特征离子频率谱图，提取了特征峰值频率（fm）和峰值振幅（am）。通过研究不同pH、电解质浓度及类型、外加电压、温度等条件下的单分子特征频率指纹图谱变化，发现离子、单个传输分子、纳米孔道内壁氨基酸残基间的可逆平衡调节了质子、离子与纳米孔道的结合/解离过程，影响了离子流电信号的低频组分。进一步，研究团队总结了特征频率的物理化学特性，即fm反映了纳米孔道内离子与孔道内壁氨基酸残基间的解离速率，am描述了纳米孔道内壁氨基酸残基在限域相互作用网络下的结合离子数目。图2. 特征峰值频率（fm）和峰值振幅（am）的影响因素研究（A） pH；(B）离子强度；（C）离子种类；（D）实验温度；（E） 施加电压。揭示离子相互作用网络的峰值频率（上）和峰值振幅（下）。图3. 单分子特征离子指纹图谱及预测研究 （A）系列238位点突变型AeL纳米孔道238（左）及特征峰值频率 （fm）的相关性分析 （右）；(B)特征峰值频率 （fm）与突变氨基酸等电点，单分子阻断时间，突变氨基酸范德华体积间的非线性依赖关系； （C）238位点突变型AeL纳米孔道的单分子特征离子指纹图谱预测模型。为进一步验证单分子特征离子指纹图谱的普适性，研究人员构建了系列238位点突变型Aerolysin纳米孔道，改变了纳米孔道灵敏探测区域内氨基酸残基与单个生物分子的相互作用，归纳了氨基酸残基的化学特性对频率指纹特性的影响规律。实验结果显示，在无分析物存在于纳米孔道的情况下，特征峰值频率（fm）与体系电导相关；而在有单个分子通过纳米孔道的时候，特征峰值频率（fm）与突变位点氨基酸残基化学性质的相关性显著增加。进一步，利用多元回归分析建立了单分子频率指纹图谱经验模型，描述了离子指纹图谱特征fm和氨基酸残基电性、范德华体积、亲疏水性等物理化学特征间的关系，实现了对突变型纳米孔道离子指纹图谱频率特征的预测。该方法有助于精准探测纳米孔道单分子动态相互作用，实现纳米孔道单分子蛋白质测序。
相关成果以“Single-Molecule Frequency Fingerprint for Ion Interaction Networks in a Confined Nanopore”为题（VIP Paper），发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）该工作得到了国家自然科学重大科研仪器研制项目及优秀青年基金项目、南京大学化学和生物医药创新研究院的支持，南京大学化学专业博士研究生李欣怡为论文的第一作者，应佚伦教授和龙亿涛教授为论文的通讯作者。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202108226
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