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-桶孔（TMBs）广泛用于单分子DNA和RNA测序。它们能够将各种传感和测序应用小型化为便携式USB大小的设备和护理点技术。一个由比利时和美国研究人员组成的团队现在描述了一种从头开始设计具有自定义形状和特性的TMB孔的一般方法，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。通过将它们从专业实验室带到便携式设备中，它们具有巨大的潜力来推进广泛的传感和测序应用。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出非常不同的功能，并且不是传感器开发的理想起点

由VIB-VUB结构生物学中心（比利时）和华盛顿大学医学院（美国）领导的研究承担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

在计算设计的帮助下，研究人员开发了设计具有可调孔形状、尺寸和电导率的稳定纳米孔通道的方法。与天然孔隙相比，设计的TMB产生的信号非常稳定和安静。Sheena Radford（利兹大学）和Sebastian Hiller（巴塞尔大学Biozentrum）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中的许多应用

“这些发展非常令人兴奋。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-折叠的设计和折叠非常复杂，更不用说在脂膜中了。现在我们已经证明，我们可以成功地设计出具有高成功率的纳米孔，这些孔具有稳定和可重复的电导，”VIB-VUB结构生物学中心的组长Anastassia Vorobieva博士说

作为下一步，研究人员对他们的设计方法进行了测试。可以检测代谢物等非常小的分子的纳米孔将是代谢组学和诊断分析的非常有用的工具，目前需要大型的专业实验室设备。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，孔必须具有与感兴趣的小分子高度互补的形状

来自华盛顿大学医学生物化学教授和HHMI研究员David Baker实验室的一个团队成功设计了可以特异性结合小分子代谢物的新蛋白质。他们将蛋白质分成三部分，并将这些部分融合到TMB孔的环中。他们发现，使用这种结构可以直接检测单分子结合事件

华盛顿大学医学院教授、HHMI研究员David Baker教授表示：“这项合作是蛋白质设计可能性的一个很好的例子。我们现在可以从第一原理中创建我们想要的功能，而不是从自然界中重新利用生物分子。”

积极的结果证明，纳米孔设计可以补充质谱和其他需要大型实验室和大型装置的分析方法，因为该技术更小、更容易获得。尽管我们离这一点还有很长的路要走，但研究人员设想了一个未来，在这个未来，具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 More information: Samuel Berhanu et al, Sculpting conducting nanopore size and shape through de novo protein design, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn3796. www.science.org/doi/10.1126/science.adn3796

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