纳米孔限位空间内单分子蛋白质电阻抗谱研究

The research on the properties of single-molecule protein is extremely important in scientific research. The commonly researches mostly chose the methods from electron microscope, atomic force microscope (AFM) and control single molecule by optical tweezers and magnetic tweezers. Nanopores, with its rapid, hypersensitive and label-free characters in single molecule detection, have the potential to solve the puzzles. Therefore, the project suggests constructing nanopore confined space, the protein active environment where the behavior of single protein molecule can be observed, recording the changes in the electrical impedance spectra of protein and the factors affecting the activity of proteins. To investigate properties of individual molecule, especially single enzyme by ion current detection technology. The project will help us observing new phenomenon and mechanism in single molecule enzymatic reaction, providing new technologies and research methods for the study of the dynamic process of single molecule protein, the structure and function of active protein and single molecule enzyme kinetic.

单分子蛋白质性质研究在科学研究中有着极其重要的地位。常用的方法是使用电镜、原子力显微镜等技术手段，并可通过光镊或磁镊等对单个分子进行操控。新型纳米孔单分子传感因其快速、非标记、超灵敏等特点将有望克服这一难题。因此，本项目是建立在纳米孔限位空间内，构建蛋白质活性环境，并可对单个蛋白质分子的行为进行观测，记录蛋白质分子的电阻抗谱变化及其影响蛋白质活性的相关因素。通过离子电流检测技术以研究单个生物分子，特别是单个酶分子的生物化学性质。本课题将观测到单个酶分子酶促反应过程的新现象及机理，为单分子蛋白质动态过程研究、活性蛋白质结构与功能研究、单分子酶促动力学研究提供新的技术手段和研究方法。

纳米孔传感技术已经成为化学和生物领域里一种新型的、重要的、极具潜力的分析检测手段。本项目对集成单分子纳米孔器件构建、集成限位空间内单一生物分子组装及性质表征以及单分子蛋白质构象变化信号检测的进行研究。本项目首先研究四面体结构合成优化与应用、肌红蛋白（Myoglobin）的相关构象变化和变体MspA孔道蛋白检测。能够实现较大直径的固态纳米孔对较小结构的脱氧核酶裂解反应和蛋白质反应前后构象变化的检测。其次，利用纳米孔研究了DNA折纸板的形变易位情况以及DNA逻辑门计算，提供了一种快速无标签分析纳米折纸板结构形态的方法和一种生物分子多重位点检测以及一次性检测多个标识物分子的思路。最后，研究DNA纳米板的纳米孔限位空间内单个分子的组装，通过不同直径纳米孔上停驻稳定性和纳米孔内组装DNA单链后电流信号，结果表明目前我们无法实现采用DNA纳米板的方式实现对单个酶分子的研究，然而，该方法为固态纳米孔对单个生物大分子的研究提供了新的思路。在将来的研究中，我们将对数据分析及算法上进行提高及改进，实现对噪声与生物分子信号的区分。该课题提供一种新型单一生物分子表征与检测方法，及构建新型的单分子传感平台。长期可为无标记基因测序的蛋白质器件提供新的技术来源。