膜纳米孔的内腔决定了它们在生物学和技术中的功能。在纳米孔传感中，通道宽度控制单个分子的进入和通过，并影响分析物阻塞通道管腔时产生的电读出信号。因此，大约1到5 nm 宽度的生物蛋白质孔能够感应同等大小的 DNA 链、有机分子和小蛋白质。超越目前的尺度范围在科学上是令人兴奋的，并且在研究和传感方面具有相关性。例如，更宽的纳米孔可以在单分子水平上改变对大型酶、免疫球蛋白、蛋白质复合物甚至病毒的快速和直接感应和检测。超出生物范围还可能导致非圆柱形纳米孔更好地匹配不规则形状的分析物。作为一个额外的理想特性，宽且形状明确的纳米孔应携带分子受体，以实现高度特异性的分析物识别或分析物分子的束缚，以进行详细的生物物理检查。最后，下一代纳米孔应该与广泛的电子读数兼容，包括便携式 DNA 测序开创性的手持式 MinION 试剂盒，但迄今为止尚未用于蛋白质检测。理想的纳米孔还提供了传感以外的应用，例如形成合成细胞和刺穿生物细胞以运送生物活性物质。到目前为止，尽管取得了相当大的进展，但下一代纳米孔还无法通过工程蛋白质或肽组装来实现。一个基本的挑战是氨基酸的小尺寸和多肽的复杂折叠成大的独特蛋白质结构。鉴于核苷酸的更大尺寸、简单的碱基配对规则和易于预测 DNA 折叠，DNA是设计更大纳米级结构的替代材料。事实上，DNA 膜纳米孔以前已制成通道直径高达 10 纳米。所有现有的DNA纳米孔都使用DNA双链的经典平行排列，以垂直方式刺穿膜。鉴于此，伦敦大学学院Stefan Howorka等人报道了DNA的合理设计可以极大地扩展膜纳米孔的结构和功能范围。该课题组探讨了DNA分子设计如何将膜纳米孔的大小和形状扩展到当前生物和工程领域之外。成果发表在Nature Nanotechnology上。
在开始设计DNA纳米孔时，研究人员注意到，材料的自由性受到了过度的限制，因为所有双链体都以垂直于膜的方式定向。因此，研究人员决定利用DNA构建所提供的构建自由来克服这个限制。在这个孔中，成束的DNA双链体形成亚基，这些亚基以模块化方式平行于膜排列，形成确定的形状。模块化子单元的使用可以提供前所未有的孔形状和尺寸设计范围，如一系列孔多边形（包括三角形、正方形、五边形和六边形）所示。结合可控子单元的边长（10 和 20nm），设计的通道管腔可以从 10nm 子单元长度的三角形的 43nm2变换为 20nm 子单元长度的正方形的 400nm2。与广泛使用的蛋白质孔（α-溶血素）的 1.5nm2管腔面积相比，较大尺寸的 DNA 纳米孔要大出260倍。
该孔结构具有一个额外的膜帽（确定整体孔隙形状）和一个筒（穿透膜）。通过确定子单元的双链体数，帽的高度和宽度是可调的。帽结构的亚基通过亚基最内层双链体位置的短单链 DNA 链接连接。此外，刚性的子单元间双链体可以防止帽翻转，并防止偏离设计形状。帽的几何形状也决定了孔的跨膜筒。在胆固醇-脂质锚定物的帮助下，跨膜筒可以刺穿膜。这种孔设计应该允许孔插入经典的脂质双层，也可以插入MinION的流动细胞膜，用于直接和便携式检测免疫相关蛋白质。通过单通道电流记录实验，证实了DNA纳米孔通过一个明确但可调的通道腔刺穿双层膜。此外，实验还验证了DNA纳米孔可以在单分子水平上对 IgG 抗体进行无标记、直接和特异性检测。并且，研究人员最终还评估了 DNA 纳米孔可以插入高通量 MinION 流动细胞的膜中以快速检测人类 SARS-CoV-2 抗体。图|分别使用双层和便携式 MinION 记录进行特异性和无标记 IgG 传感。综上，考虑到膜纳米孔在自然界和技术中的重要性，该研究引入了合成版本，这些版本在生物学不提供的尺寸和形状条件下运行。通过利用 DNA 纳米技术获得了广阔的设计空间，并且通过使用广泛使用的台式和手持分析设备直接检测通道腔内的单个蛋白质分子来证明该方法的实用性。未来可能会改进大的 DNA 纳米孔，以产生不规则的多边形孔几何形状，以匹配不对称形状的分析物。不规则的几何形状可以通过长度不均匀的孔亚基和可变的亚基间角度来实现。通过在任何管腔位置放置任何类型和数量的识别标签，可以进一步增强 DNA 纳米孔的单分子分析，这是任何其他由蛋白质、固态或混合材料组成的孔所无法做到的。单分子分析之外的一种应用是使用 DNA 纳米孔在细胞间运输生物活性货物。在膜之外，一个同样令人兴奋的前景是使用高度可调的 DNA 支架来包裹酶并设计具有增强催化活性的多酶组装体。总之，该合成孔路线为实际应用提供了功能性 DNA 纳米结构，利用自然界无法获得的生物分子结构推进了合成生物学，并有助于改变便携式和快速的蛋白质传感，从而对社会产生影响。Xing,Y., Dorey, A., Jayasinghe, L. et al. Highly shape- and size-tunable membranenanopores made with DNA. Nat. Nanotechnol. (2022).https://doi.org/10.1038/s41565-022-01116-1
