[发明专利]人工合成的大环结构分子纳米孔结构及制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种人工合成的大环结构分子纳米孔结构及制备方法及应用。纳米孔结构为在电解质溶液中，人工合成的大环化合物插入磷脂双分子层膜中，形成的纳米尺寸通道的跨膜纳米孔结构；大环化合物一般具有直径为的空腔，大环化合物的空腔具有原子级别厚度为，本发明设计的人工合成的大环化合物在磷脂双分子层上形成稳定的单分子结构独特，与常见的跨膜纳米孔皆不同，空腔厚度仅为原子级别，化学结构统一，化学性质稳定，可以形成稳定的单个纳米孔通道，实验重复性、统一性高。

技术领域

本发明属于生物分析与检测领域，具体地说，是一种人工合成的大环结构分子纳米孔结构及制备方法及应用。

背景技术

跨膜纳米孔已经成为了化学和生物传感的有力工具，并在DNA测序方面也取得了显著的成功，跨膜生物纳米孔可以由多种结构自组装而成，包括蛋白质、多肽、合成的有机化合物，以及DNA折纸等。与固态纳米孔相比，跨膜生物纳米孔通过插入脂质双层，可以与涉及囊泡和细胞以及基于膜的分析平台的应用兼容的更好。此外，跨膜生物纳米孔由于蛋白质结构均一，在检测和DNA测序方面重复性强。但是目前大多数生物纳米孔技术所采用的蛋白质通道存在着分辨率和灵敏度较低等问题。这是由于，传统的生物纳米孔有效厚度或传感长度大于2nm，这导致了目前所公开最好的蛋白质纳米孔进行DNA测序时识别4个(例如MspA 孔，Laszlo,A.,Derrington,I.,Ross,B.et al.Decoding long nanoporesequencing reads of natural DNA.Nat Biotechnol 32,829–833(2014). https://doi.org/10.1038/nbt.2950)或者更多的核苷酸组合序列，无法直接提供单碱基分辨率，大大影响了纳米孔技术的空间分辨率，也限制了目前纳米孔技术从DNA测序发展到蛋白质测序的进一步应用。

大环化合物最早出现在1890年，近期也引发了超分子化学研究和发展的热潮。包括柱芳烃，冠醚，杯芳烃，葫芦脲，环糊精等。下列大环化合物结构集合图中列出了迄今为止大部分大环化合物的种类，其中如由开环合成法构成的柱[n] 芳烃化合物或芳烃乙炔平面刚性大环的衍生物等孔径可达10nm以上。超分子化学在各个领域应用广泛，例如分子识别、传感、分子机器和设备、超分子聚合物、激发态响应材料、超分子催化和药物传递系统等方面。由于大环化合物结构独特，因此将其应用到跨膜纳米孔方向也成为可能。

本发明的核心设计是采用有机合成的大环结构作为跨膜纳米孔。该结构分子跨膜纳米孔可以通过简单的设计在原子精度级别上更大程度地调节孔的尺寸，动力学和与其他分子的相互作用。除此以外，这些合成的跨膜纳米结构中的孔厚度和大小都可以通过设计调控至单个核苷酸或氨基酸的大小，因此，它们可以为纳米孔DNA测序甚至蛋白质测序提供必要的原子级别空间分辨率。此外，跨膜纳米孔在化学，结构和纳米机械可调性方面都有很大的优势和更大的可能性。

迄今为止，大多数纳米孔传感研究采用包含β-barrel类型的具有疏水表面的孔隙形成跨膜蛋白质等。因为这些蛋白质更容易插入到平面脂质双分子层膜中，这使它们成为传感应用的完美候选，如气溶素，α-溶血素等。然而，其他非β-barrel类型的蛋白质或人工合成的跨膜纳米结构也可能提供优越的分析物识别属性，但使用这类型的纳米孔传感实验受到能否稳定插入脂质中的影响。

比如，亲水性含孔结构，如本发明设计的人工合成的大环结构，需要适当的的化学修饰使其具有脂质锚点(疏水带)，使它们更容易插入到磷脂双分子层中形成跨膜纳米孔结构。对该类纳米孔结构的化学修饰常用的有例如卟啉，胆固醇，硫代磷酸乙酯(EP)，生育酚，长的烷烃链，或多个多肽连接形成的锚等，具体修饰的结构如下表1所示。

表1跨膜纳米结构的侧链修饰类型及结构式

另外其他非β-barrel型的跨膜纳米结构还有例如含孔的极性蛋白质，也可以加以修饰卟啉使其能稳定存在于脂质中；