纳米孔传感技术作为一种新兴的单分子检测手段，以其多功能性在分析检测领域展现出巨大潜力。典型纳米孔传感主要基于分子在纳米孔道内的缓慢易位过程，通过检测由此产生的电流阻断信号实现分子识别。为延长分子在孔道内的停留时间，研究者开发了多种策略，包括利用马达蛋白辅助调控、增强孔道-分析物相互作用以及设计具有空间位阻效应的纳米孔结构等。尽管如此，这种减速易位模式仍面临信号精度不足、分辨率有限等挑战，尤其在复杂糖链化合物的检测中表现突出。由于糖链分子具有结构复杂性、异构体多样等特性，亟需发展具有高分辨率高解析力的纳米孔传感策略进行破局。 人参皂苷是一类源自人参属植物的糖苷类化合物，具有显著的药理活性。其结构特征表现为苷元骨架上连接有一个或两个糖链。由于糖链组成、糖苷键构型、连接方式、修饰基团以及苷元骨架的多样性，人参皂苷存在大量同分异构体，这使得其结构解析与精准识别面临巨大挑战。近日，中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员、李闵闵副研究员团队与梁鑫淼研究员团队合作，通过设计工程化的气单胞菌溶素（Aerolysin）突变体S278K纳米孔，利用其独特的非易位型纳米孔堵塞传感机制，成功实现了对30种人参皂苷分子的高分辨单分子识别，并进一步完成了在复杂产物中的定性与定量分析。
研究团队围绕野生型Aerolysin进行理性设计和蛋白质工程化改造，发现S278K突变体在孔内K278-R220区域表现出更小的孔径和更高的电荷密度，促使其产生更强的电渗流，能够诱捕溶液中的人参皂苷分子进入孔道。在受到空间壁垒的影响和来自孔壁赖氨酸和精氨酸等残基的氢键作用后，进孔的人参皂苷分子被困在该区域，并停留数十到数百毫秒，形成了非易位堵塞传感。与野生型相比，S278K突变体纳米孔的堵塞信号持续时间提升43倍，分辨率提高77%，对人参皂苷分子展现出了高分辨的识别能力。 研究团队遂采用S278K突变体作为纳米孔堵塞传感器，对多种人参皂苷进行了系统性研究。通过解析堵塞电流信号的三个关键特征参数——堵塞电流幅值、堵塞持续时间和电流振幅标准差，成功实现了对30种含有多种异构体的人参皂苷（包括糖基组成、连接、修饰和苷元类型等差异）在单分子水平上的精准区分。值得注意的是，该方法即使在模拟混合样品体系中，仍能保持优异的识别能力，为复杂体系中糖苷类化合物的单分子检测带奠定了基础。 研究团队进一步利用单分子纳米孔堵塞信号，开发了一种基于卷积神经网络的智能纳米孔数据分析模型。该模型在测试集中展现出优秀的识别性能，对多种人参皂苷的单分子识别准确率高达91.2%。该模型能对人参植物总苷提取物中的各人参皂苷组分进行精准的定性鉴别和定量分析。在此基础上，研究团队构建了不同人参属植物的人参皂苷分子指纹图谱，为中药材的快速鉴别和质量控制提供了一种新的技术手段。 该研究充分体现了纳米孔单分子传感技术在复杂基质中糖苷类化合物识别分析方面的独特优势；建立了“纳米孔传感-人工智能分析”联用技术，为人参相关食品、药品等的质量控制提供了有效手段。尤为重要的是，本研究提出的非易位堵塞传感策略，为结构异质性糖链小分子的精准识别构建了普适性方法学框架，具有重要的科学价值和应用前景。 论文信息 Identification of Isomerically Diverse Ginsenosides Using Engineered Aerolysin Nanopore via Non-Translocation Blockade Sensing Jing Wang, Prof. Dr. Minmin Li, Chen Zhang, Dr. Xinjia Zhao, Dr. Yuting Xiong, Yuchen Cao, Dongdong Wang, Dr. Xiaonong Li, Prof. Dr. Xinmiao Liang, Prof. Dr. Guangyan Qing Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506741
