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【纳米】南京大学黄硕课题组ACS Nano：苯硼酸内嵌纳米孔实现核苷单磷酸、二磷酸和三磷酸区分

时间：2022-12-31 来源： 浏览：

【纳米】南京大学黄硕课题组ACS Nano：苯硼酸内嵌纳米孔实现核苷单磷酸、二磷酸和三磷酸区分

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核糖核苷酸广泛存在于所有生物体内，行使着丰富的生物学功能。他们是RNA的基本组成单元，还可以充当能量载体、化学信使、辅酶因子或治疗靶点，对许多生命过程至关重要。核糖核苷酸结构相似，由一分子含氮碱基、一分子核糖和一分子磷酸组成。根据磷酸的数目不同，常见的核糖核苷酸包括核苷单磷酸、二磷酸和三磷酸。天然的核糖核苷酸也可以在不同的磷酸化形式之间动态切换，给其传感带来了巨大的挑战。
传统的分离技术，如毛细管电泳、薄层色谱和液相色谱的各种分离技术已经用于核糖核苷酸的鉴定。其中，最常用的是液相色谱，如阴离子交换色谱，离子对色谱，或亲水性相互作用色谱，因为该技术对分析物的电荷和大小具有很高的敏感性  [1] 。 然而，核糖核苷酸的充分分离往往需要精细地优化各种色谱条件，包括不同的固定相、添加剂、流速、柱温、流动相的梯度以及浓度和pH等。此外，这些液相色谱技术往往需要与紫外或质谱耦合，以避免定量误差 [1] 。
纳米孔是一类单分子传感器，最初开发用于核酸测序。通过对孔道进行工程化改造，纳米孔也可以作为单分子反应器，以高分辨率识别各种相似的小分子。 异质纳米孔道技术 是近年来由 南京大学 化学化工学院 黄硕 教授课题组 原创开发的一种用于小分子检测的通用策略 。该技术在天然的耻垢分枝杆菌膜蛋白A (MspA) 纳米孔的八个均聚单体中引入了一条含定点突变的单体，实现了异质MspA的构建。利用该技术，黄硕教授课题组实现了RNA表观遗传学修饰、单糖和糖醇的检测 [2-4] 。 在此基础上， 黄硕 教授课题组近日在 ACS Nano 上报道了 利用异质MspA实现核苷单磷酸、二磷酸和三磷酸的单分子区分。 该研究团队在异质MspA纳米孔内通过迈克尔加成反应引入了单一的苯硼酸分子。利用苯硼酸和核苷酸上顺式二醇的可逆相互作用，该研究团队实现了十二种核糖核苷酸，包括胞苷、尿苷、腺苷和鸟苷的单磷酸、二磷酸和三磷酸的同时检测。在机器学习算法的辅助下，核糖核苷酸的识别准确率达到了99.9%。
图1. 苯硼酸内嵌的MspA纳米孔区分核苷单磷酸、二磷酸和三磷酸（图片来源自该作者）
天然核糖核苷酸作为人体必需的营养素广泛应用于制药行业。例如，ATP是治疗代谢紊乱和肌肉萎缩的一种重要临床药物，也是治疗慢性肝炎、冠心病、肾炎、脑动脉硬化的辅助药物。利用异质纳米孔技术，该研究团队成功在商用的ATP药物中检测到了微量的ADP和AMP杂质。该方法不需要复杂的样品预处理，同时具有较高的灵敏度和准确度。这表明这种传感策略能够直接鉴定混合物中不同磷酸化的核苷酸，为细胞内核苷酸代谢、核苷酸参与的酶促反应以及食品、药品中外源性核苷酸的快速检测提供了单分子分析工具。
图2. ATP药物中核糖核苷酸的快速鉴定（图片来源自该作者）
该工作近日在 ACS Nano 发表相关论文，南京大学化学化工学院 黄硕 教授为该论文通讯作者。南京大学博士后 王玉琴 、博士生 樊萍萍 为该论文共同第一作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Discrimination of Ribonucleoside Mono-, Di-, and Triphosphates Using an Engineered Nanopore
Yuqin Wang, Pingping Fan, Shanyu Zhang, Liying Wang, Xinyue Li, Wendong Jia, Yao Liu, Kefan Wang, Xiaoyu Du, Panke Zhang, and Shuo Huang*
ACS Nano , 2022 , 16 , 21356–21365, DOI: 10.1021/acsnano.2c09662
参考文献：
1. Zborníková, E.; Knejzlík, Z.; Hauryliuk, V.; Krásný, L.; Rejman, D. Analysis of nucleotide pools in bacteria using HPLC-MS in HILIC mode. Talanta 2019 , 205 , 120161,
2. Wang, Y.; Zhang, S.; Jia, W.; Fan, P.; Wang, L.; Li, X.; Chen, J.; Cao, Z.; Du, X.; Liu, Y.; Wang, K.; Hu, C.; Zhang, J.; Hu, J.; Zhang, P.; Chen, H.-Y.; Huang, S. Identification of nucleoside monophosphates and their epigenetic modifications using an engineered nanopore. Nat. Nanotechnol. 2022 , 17 (9), 976– 983
3. Zhang, S.; Cao, Z.; Fan, P.; Wang, Y.; Jia, W.; Wang, L.; Wang, K.; Liu, Y.; Du, X.; Hu, C.; Zhang, P.; Chen, H.-Y.; Huang, S. A Nanopore-Based Saccharide Sensor. Angew. Chem., Int. Ed . 2022 , 61 (33), e202203769
4. Liu, Y.; Zhang, S.; Wang, Y.; Wang, L.; Cao, Z.; Sun, W.; Fan, P.; Zhang, P.; Chen, H.-Y.; Huang, S. Nanopore Identification of Alditol Epimers and Their Application in Rapid Analysis of Alditol-Containing Drinks and Healthcare Products. J. Am. Chem. Soc. 2022 , 144 (30), 13717– 13728,
导师介绍
黄硕
https://www.x-mol.com/university/faculty/56491
课题组链接
http://hysz.nju.edu.cn/bionano
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