纳米通道生物传感器研究生物大分子的个体行为

摘要

纳米通道生物传感器是一种根据分子在电场驱动下穿过纳米尺寸孔道时产生的特征信号，从而在单个分子水平上研究生物分子个体行为的分析方法。在单分子水平上直接观测和分析生物大分子的构象变化、分子间的相互作用、分子动力学行为、分子反应机理等研究已经成为推进生物学、化学等进入纵深发展的必然要求，是当今生命分析发展的重大趋势之一。α-溶血素(α-hemolysin，α-HL)是一种天然生物通道蛋白，能在生物膜上自组装形成纳米通道[1]。该纳米通道为导电离子的传输唯一通道，如果有生物大分子穿过该通道，就会在瞬间引起离子电流的阻塞，从而离子流的相关参数发生变化，如阻断电流、阻塞时间（图1）。纳米通道生物传感器重要优势在于能够在单分子水平上识别出生物大分子中间体，克服传统光谱技术只能在宏观层面上反映生物大分子构型的弱点[2]。本文采用基于α-HL 构建的生物纳米通道，在单分子层面上检测生物大分子的个体行为,试验结果表明，该单分子分析装置可以成功地用于实时区分单个ATP 核酸适配体分子及其不同构型，同时又能探测不同配体分子对单个核酸适配体分子的竞争行为，实现了在单分子水平上监测生物大分子的识别行为[3]。此外，基于α-HL的纳米通道检测技术已构建了对单个老年痴呆症致病蛋白的检测方法，在单分子水平上阐述了刚果红及β-环糊精对老年痴呆症致病蛋白分子内弱氢键的作用机理[4]。因此，纳米通道生物传感器能够探测单个生物大分子的构型及其相应的生物过程，特别是生物大分子间的弱相互作用。