基于碳纳米管的纳米孔系统的生物分子检测的模拟研究

The nanopore detection of single biological molecules, especially the oligonucleotide, is an important research field in the single molecule biology. Compared to protein nanopore and solid state nanopore systems, carbon nanotube (CNT) based nanopore has the advantages including small radius, regular structure, high detection sensitivity. Meanwhile, recent experimental studies found ClpXP protease can mechanically unfold protein substrate and translocate the denatured polypeptide through a pore within ClpXP. Such unique unfolding-co-translocation process can be realized in the CNT-based nanopore system which shares similar pore shape and pulling geometry. Here we propose to study the configuration and dynamic behavior of oligonucleotide together with the unfolding-co-translocation of ubiquitin in CNT-based nanopore system by molecular dynamics simulation. We are aim to study the impact of modification of single nucleotide on the configuration of oligonucleotide and the concurrent ion current, and probe the method to suppress the translocation speed of oligonucleotide: excessive translocation of molecules often results in limited nanopore detection resolution. We also plan to study the mechanical unfolding of ubiquitin and the accompanied conformational change, characterize the important steps of unfolding process and the corresponding ion current, and investigate the translocation of denatured polypeptide and the impact of CNT radius. These studies will be helpful for the further development of the sensitivity and resolution of nanopore detection and expand the nanopore studies to new biological process: the unfolding-co-translation of protein with one end mechanically loaded.

纳米孔生物检测研究，尤其是对寡核苷酸的检测是单分子生物研究领域的重要方向。基于碳纳米管的纳米孔系统具有孔径较小、检测灵敏度较高等优势。研究发现ClpXP蛋白酶水解底物过程中，底物蛋白发生受力去折叠并伴随多肽链转运过程。蛋白质这种特殊的去折叠-共转运行为及其受力几何关系，可在具有类似形状的碳纳米管系统中实现。本项目对碳纳米管系统中寡核苷酸的构象和运动以及泛素蛋白的去折叠-共转运行为进行模拟研究。讨论寡核苷酸构象与离子流量对核苷酸修饰基团的响应，探索降低寡核苷酸运动速度的方法(寡核苷酸运动速度过快是影响检测分辨率的重要原因）；研究蛋白质去折叠反应及构象变化过程，刻画去折叠过程关键步骤及对应的离子流量，研究碳纳米管内多肽链的转运速率及管径等因素的影响。上述研究将为进一步提高纳米孔检测的灵敏度和分辨率奠定基础，并探索纳米孔生物研究的新领域：蛋白质在一端受力情况下的去折叠-共转运行为。

在本项目研究中，利用分子动力学等计算模拟方法讨论蛋白质和寡核苷酸分子在基于碳纳米管的纳米孔系统中的结构性质、动力学行为及其作用规律与影响因素，较为系统的研究了纳米尺度受限环境以及蛋白质、寡核苷酸分子的结构稳定性对生物分子传输行为以及对应的电流信号的影响。其中研究发现单个修饰碱基可以显著增强碳纳米管中DNA的吸附，从而有效抑制DNA对于离子输运的位阻效应，提高离子流量，这种基于碳纳米管系统的电流信号可以对DNA链上单个碱基的差异进行高灵敏检测。通过研究蛋白质在碳纳米管中输运行为的关键步骤：在入口处的去折叠行为，发现去折叠过程存在多个反应中间态，与常见的去折叠方式有着显著区别。上述发现不仅有助于揭示蛋白质跨膜转运过程中结构稳定性的影响，而且丰富了我们对于蛋白质构象稳定性结构基础的理解。进一步将蛋白质结构稳定性与传输行为之间关系的研究拓展到寡核苷酸的结构稳定性及其对传输的影响，讨论pRNA三路交叉结构的力学稳定性，发现寡核苷酸结构稳定性具有明显的各向异性，这是由于镁离子会嵌入到寡核苷酸结构中，使结构在特定方向上形成耦合。研究提出可以利用力学稳定性的各向异性降低寡核苷酸转运速率，提高纳米孔检测分辨率这一研究思路。我们还将基于碳纳米管纳米孔系统的研究拓展到多孔二维纳米材料FePc的研究中，希望通过利用这种纳米材料中内禀的纳米孔结构，实现对纳米孔尺寸的精确控制。在这一探索性研究中，我们讨论纳米孔与离子的相互作用对于离子输运行为的影响。共发表相关通讯作者研究论文10篇，其中包括Science Advances一篇，Chemical Communication一篇，Nanoscale二篇。通过本项目的研究，较为深入的讨论了蛋白质、寡核苷酸分子在碳纳米管系统的输运行为与对应电流信号的影响因素，特别是生物分子结构稳定性对生物分子运动的影响，以及生物分子的吸附对离子运动的影响，上述研究结果将为有效调控生物分子的运动速度，调节离子运动对不同基团的响应，从而提高纳米孔生物检测的分辨率与灵敏度提供新的思路。