中国地质大学研究生，中国地质大学研究生院
利用纳米通道的外表面进行检测
受自然通道蛋白的启发，仿生纳米通道利用穿膜离子电流变化，可以实现各种生物目标的分析。固态纳米通道凭借其较强的机械强度、可调节的孔隙尺寸和高灵敏度的优势，引起了全球研究者的广泛兴趣。纳米通道检测的生物靶点可以覆盖多种尺度，从纳米级离子、小分子、核酸、蛋白质，甚至是微米尺度的细胞。当生物靶标与捕获探针相互作用，纳米通道的尺寸、电位、疏水性等微小变化都可能引起离子电流较大的变化。
然而，现有的基于纳米通道的检测系统大多数都是基于纳米通道内壁上修饰的探针，这意味着生物靶标必须进入纳米通道，以确保与探针的相互作用。当蛋白质作为靶标时，由于通道中纳米封闭空间，尺寸较大的蛋白质很难到达探针识别位置，导致检测效率较低。此外，当寻找生物靶标尺寸和孔径的完美适宜性时，重现性较差。目前已有研究证明，外表面表面电荷的变化可以用于检测各种生物靶标。中国地质大学（武汉）材料与化学学院夏帆/娄筱叮教授课题组提出了利用纳米通道的外表面进行蛋白质检测的概念，通过区分内、外表面并精确修饰外表面的功能探针POS，可以很大程度上提高生物目标识别的可能性，并克服目标大小的限制。相关工作以“Enzyme Regulating the Wettability of the Outer Surface of Nanochannels”为题发表在 ACS Nano。
【文章要点】
近日，夏帆/娄筱叮团队提出了一种利用纳米通道外表面浸润性的变化来检测肿瘤标志物基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的策略。如图1a所示，选择具有编辑性、生物活性和多样性优势的多肽作为外表面修饰探针，基于多肽的P OS由三个单元组成，包括末端有半胱氨酸的亲水单元（CRRRR）、MMP-2裂解单元（PLGLAG）以及疏水单元（Fn）。在识别出MMP-2后，由于疏水单元的离开，其外表面的亲水性增加，从而导致离子电流的增加。此外，调节疏水单元中F的数量(n)从2、4到6（图1b)，可以进一步提高MMP-2检测的灵敏度。该基于纳米通道的系统成功地检测到了细胞分泌的MMP-2，并发现MMP-2的分泌与细胞周期有关，在G1/S期的检测可以获得更高的准确性。
图1：（a）在识别MMP-2后，多肽修饰的AAO-Au纳米通道外表面的疏水性增加，从而导致离子电流的增加。(b)通过增加疏水单元的长度，可以提高外表面的疏水性，从而扩大电流的增加比
图2： 准备POS4@AAO-Au，并评估其MMP-2的响应性
图3：调节POS-n的疏水单元
图4： 研究了外表面检测MMP-2的机理
图5：检测细胞分泌的MMP-2
【结论与展望】
在这项工作中，证明了外表面探针的浸润性变化可以影响纳米通道的离子电流。在过去，只有当内外表面不区分时，浸润性才被提及或证明是协同效应之一。本文明确地证实了外表面本身的浸润性可能导致离子电流的变化。因此，调节外表面的浸润性变化不仅对检测，而且对了解纳米通道的作用机制具有重要意义。本研究表明，在设计基于纳米通道外表面的检测系统时，应考虑到浸润性。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04017
来源：课题组供稿
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