一个孔，登上Nature Physics！

纳米人

2021-07-02

第一作者：Kaikai Chen

通讯作者：Nicholas A. W. Bell

通讯单位：剑桥大学

研究背景

在生物体中普遍存在着长链状聚合物分子，例如DNA 和 RNA 是由许多连续的核苷酸连接在一起形成的聚合物。当在细胞内或细胞之间运输时，这些生物聚合物必须通过“纳米孔”——纳米通道，其直径一般在１纳米到几十纳米之间，比人类头发的宽度小1万倍。这种聚合物通过在纳米孔道内传输的过程同时也奠定了新型纳米孔传感器的基础，纳米孔可被用于DNA测序和单分子检测等应用。

成果简介

剑桥大学卡文迪许实验室的Ulrich F. Keyser课题组与马萨诸塞大学的Muthukumar课题组利用测试具有DNA纳米结构的DNA的输运过程和粗粒度模拟揭示了在电场作用下的DNA在纳米孔道中的输运过程，这一研究发表在《自然物理学》（https://www.nature.com/articles/s41567-021-01268-2）。该团队利用构建DNA折纸 (DNA orgami，类似于乐高积木的技术)的方法，制造了带有凸起机构的双链DNA分子。让这些 DNA 分子在电场的作用下通过纳米孔并分析通过纳米孔道的电流，该团队非常精确地确定了DNA 在传输时的速度如何变化。实验结果揭示了输运过程可以看作两个阶段，其中在第一个阶段 DNA 速度减慢，然后在接近传输的末段时DNA加速。粗粒度模拟验证了这个两阶段过程。此研究揭示了该过程的基本物理特性是由 DNA 与周围流体之间不断变化的摩擦力决定的。

这种组装类似乐高积木的方法构建的DNA分子就像一个纳米尺度的尺子，非常精确的测量了聚合物穿过只有几纳米大小的小孔的过程，为理解这一过程提供了新的认识。实验和模拟的结合揭示了这一过程中分子受力和输运的基本物理过程，并将有助于提升基于纳米孔的生物传感器的检测精度。这些结果将有助于提高纳米孔传感器在 DNA测序、目标 DNA 和 RNA 检测以及 DNA 数据存储应用中的准确性。一个应用是精确定位 DNA 上的特定序列（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07947）来检测DNA。同时，基于纳米孔传感器的RNA检测有望用于疾病诊断，例如早期癌症检测等。另一个潜在的应用是 DNA 数据存储。提高检测纳米孔的分子的准确率能够更准确的读出存储在DNA序列和DNA结构中的数字信息（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b04715）。

参考文献

Chen, K., Jou, I., Ermann, N. et al. Dynamics of driven polymer transport through a nanopore. Nat. Phys. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01268-2