利用纳米孔技术探测生物大分子动态修饰的研究

Dynamic modifications in macrobiomolecules are important and ubiquitous processes in cell, which are also the key to the life control. A low-cost and fast technique that is capable of monitoring the status of modifications in macrobiomolecules is of tremendous value. Nanopore is a novel nanotechnology that is of great potential for detection in macrobiomolecules. Recent studies have demonstrated significant potential and advantages in probing modification in macrobiomolecules with nanopore. This project propose to explore the potential of nanopore technique in detecting modification status in macrobiomolecules, to pave the way for the application of such an emerging technique. By carrying out the project, we will improve the nanopore fabrication technique, increase the accuracy in molecular motion control, to obtain the characteristic signal of modified macrobiomolecules, modification sites, and its dynamic process. It is expected that general application of nanopore technology will push forward the progress in this research field.

生物大分子动态修饰是生命演变过程中普遍存在的重要过程，是控制生命功能的关键。一项低成本、并能快速准确地检测微量样本中生物大分子修饰状态的技术，将具有极大的价值。纳米孔是一项正在兴起的极具潜力的针对链状生物大分子的纳米检测技术。最新研究已显示纳米孔技术在生物大分子修饰研究方面的潜在优势。本项目拟深入研究利用纳米孔技术探测生物大分子动态修饰，进一步完善并推动纳米孔这一新型技术在生物大分子动态修饰方面的应用。通过研究，期望能进一步改进纳米孔制备方法，提高生物大分子运动控制精度，实现修饰后的生物大分子在纳米孔中的信号特征表征、生物大分子修饰位点的探测、及生物大分子修饰位点动态过程的探测。可以预期，纳米孔技术的广泛应用将会有力推动这一重要研究领域的发展。

纳米孔是一项正在兴起的针对链状生物大分子的纳米检测技术，在生物大分子修饰研究方面具有潜在优势。本项目探索了纳米孔技术在生物大分子动态修饰研究方面的应用。通过研究我们进一步改进了纳米孔制备方法，提高了单原子层二维材料纳米孔的制备效率。利用绝缘基座减少纳米孔电容，从而将离子电流噪声降低了一个数量级。设计并研制了前置电流放大器和光学部件以集成固态纳米孔器件。利用并行处理芯片和图形化编程开发了纳米孔单分子运动控制程序以提高纳米孔DNA分子运动的控制水平，反馈时间达10微秒量级以内。研究了DNA四面体在纳米孔中离子电流中的特征及其作为标记物吸附在DNA分子上后在离子电流中的探测与识别，获得了较高的标记物信噪比和吸附位置辨别，展示了利用固态纳米孔快速检测DNA上特定片段的可行性。针对生物纳米孔测序器件，我们编写了DNA测序信号的解析程序，通过对海量测序数据的分析获得了DNA碱基与纳米孔蛋白结构相互作用的差分力谱。该差分力谱具有单碱基的空间分辨，测量灵敏度达fN以下，远超目前已有的其他实验技术水平。通过这种高灵敏度信号的空间分析可以辨别DNA碱基与蛋白质多种相互作用力，特别是对空间高度局域的氢键相互作用，由此可推算出纳米孔蛋白质内表面的特定功能基团。顺铂是一种常见的癌症治疗药物分子，非常容易与DNA分子结合来影响细胞代谢过程。通过分析修饰有顺铂分子的DNA在纳米孔中的测序信号，我们实现了对DNA分子上单个顺铂分子修饰位点的高效探测，准确率和空间分辨率达单个碱基水平。通过研究顺铂分子吸附几率随实验时间的关系，还可以获得顺铂分子与DNA分子修饰的动态特征。我们还研究了甲基化DNA分子的纳米孔测序信号，观察到了甲基化后碱基离子电流的变化及对DNA序列解析的影响，为DNA甲基化动态修饰过程的深入研究打下了基础。综合而言，本项目研究从多个方面展现了纳米孔技术在生物大分子动态修饰领域的研究优势和潜在价值。