JACS | 同济大学项耀祖教授团队合作开发新型拼接DNA纳米孔用于寡核苷酸检测

脂质双分子层（又称脂质膜）作为细胞、细胞器和细胞衍生囊泡的主要组成部分，也是这些物体的边界，可以将其内部内容物与外部环境隔离开来。为了促进脂质双分子层之间的通信并维持低熵的“活”系统，膜蛋白在调节或协助信号转导、能量转化和物质运输方面发挥着重要作用。

基于它们的结构和化学性质，大多数蛋白质通道允许特定离子或分子通过，并遵循严格的规则。因此，一些蛋白质通道被设计成分析设备，并植入人工脂质膜中，通过跟踪分析物的特征电信号进行灵敏的检测。

自2010年代初以来，DNA纳米技术已被用于指导人工通道或孔的组装。通过使用合理设计的形状和精确修饰的疏水“锚”分子，这些纳米器件已经能够有效地穿透和固定在脂质双分子层上，有效建立跨膜连接。这些结构入口的大小被仔细设计，以调节各种分子的易位行为。

此外，还采用了可切换螺栓或盖子，以方便控制渗透率。然而，通过通道内部改造和修饰来增强这些结构的功能还没有得到广泛的研究。针对这一挑战，我们拟构建具有独特内部几何形状或修饰的DNA通道，通过的分子和通道之间引入非特异性和特异性相互作用，从而导致不同的易位行为或增强可控性。

2024年6月，同济大学项耀祖教授团队和上海交通大学杨洋研究员团队在JACS杂志上发表题为“Passing Behavior of Oligonucleotides through a Stacked DNA Nano-Channel with Featured Path Design”的论文，该研究设计了一个径向拼接的DNA折纸通道，对其进行了详细的结构设计、模块化组装和战略性的内部修改，旨在研究这种工程通道如何影响寡核苷酸检测和易位。

径向拼接DNA纳米通道具有精细化调控的内部通道，可记录ssDNA的通过特征电流，并可进行修饰实现特定ssDNA的捕获和检测

在这项研究中，研究团队提出了一个模块化的组装策略来构建DNA折纸纳米通道用于寡核苷酸检测。通过组装具有三个同心层的基本模块，将关键性能分配到每一层，以实现高效的膜穿透、可用的模块外集成和精确的内部装饰。利用附加模块延长通道长度，记录了短链DNA寡核苷酸（21 nt和58 nt）的异位事件，并获得了可靠的信号。停留时间的显著延长表明，由于宽度的变化，分子传递过程被滞留，而一系列具有典型信号模式的阶段揭示了更多的特征信息。

不同阶段电流的明显差异可以清晰地评估和理解电导率状况和异位行为。此外，一旦通道路径被特定的捕获剂（本研究中的抗ATP适体序列）修饰，它就会为适体链产生一种独特的传递信号，并展现出几个特定的进展阶段。

总的来说，通过合理的设计，叠加的模块可以很容易地重新配置为任何指定的通道长度、宽度、分支甚至复杂的路径，同时保持有效的径向拼接能力。此外，内部管腔可以定制各种特定数量和位置的分子装饰（例如小配体，DNA/RNA，肽，纳米颗粒，疏水/亲水部分等），以调节腔室的环境及其与经过分子相互作用的亲和力。

该平台提供的多功能工具箱有望为灵敏检测、选择性信号传输或货物运输提供具有竞争力的跨膜设备，从而促进基于DNA的信息存储和检索、基因测序、脂质膜工程和细胞调控等领域的应用。

同济大学生命科学与技术学院博士生张蕊为该论文的第一作者，同济大学生命科学与技术学院/附属东方医院项耀祖教授和上海交通大学分子医学研究院杨洋研究员为该论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金资助项目的支持。