球状铁蛋白纳米孔传感器：突破传统结构限制的高分辨率单分子检测新策略

研究人员针对传统桶状结构蛋白纳米孔候选范围受限的问题，创新性地利用球状铁蛋白（ferritin）构建非桶状纳米孔传感器。通过证实其疏水C4通道的膜嵌入能力与亲水C3通道的稳定跨膜离子传输特性，实现了L-半胱氨酸（L-Cys）、L-高半胱氨酸（L-Hcy）及半胱氨酸二肽的高分辨区分，并借助多尺度分子动力学模拟揭示了Cu2+ 介导的协同捕获机制。该研究为拓展纳米孔蛋白候选库提供了全新范式。

　　

在单分子检测领域，传统纳米孔技术长期受限于桶状蛋白结构的选择范围。尽管α-溶血素（α-HL）、气溶素（aerolysin）等桶状蛋白已成功应用于DNA测序和氨基酸识别，但其刚性结构要求迫使研究者通过复杂的化学修饰来优化性能。更关键的是，自然界中大量具有潜在膜嵌入能力的非桶状蛋白被长期忽视。这一瓶颈促使科学家思考：是否存在天然具备跨膜通道特性且无需工程改造的替代性蛋白？

中国的研究团队独辟蹊径，将目光投向储存铁离子的球状蛋白——铁蛋白（ferritin）。这种由24个亚基组成的多面体结构拥有独特的双通道系统：6个疏水四重对称（C4）通道可能介导膜嵌入，8个亲水三重对称（C3）通道则具备3-5?的狭窄孔径。通过电生理记录与多尺度模拟，团队首次证实铁蛋白能稳定插入脂质双分子层，其C3通道表现出显著的离子电流整流效应和电压门控特性。更令人振奋的是，在Cu²⁺
辅助下，该纳米孔实现了对仅相差一个亚甲基的L-Cys与L-Hcy的高分辨检测，并成功区分半胱氨酸二肽（CR/CK/CF）。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用四项关键技术：1）平面脂质双层电生理记录系统监测单铁蛋白跨膜电流；2）量子力学/全原子/粗粒化（QM/AA/CG）多尺度分子动力学模拟验证铁蛋白-膜系统稳定性；3）原位纳米孔控制实验（如EDTA螯合、pH梯度测试）解析Cu²⁺
的关键作用；4）二项分布模型量化多级阻塞信号与浓度关系。

电学特性与分子模拟
通过53次独立实验测得铁蛋白纳米孔在+40 mV时平均电导为0.497±0.045 nS，不对称I-V曲线显示正向电压下离子通量更高。CG-MD模拟证实铁蛋白通过4个C4通道锚定在DPhPC膜中，Z轴位移在0.05 μs内达到平衡，系统稳定性达6 μs。

单分子传感性能
加入80 μM Cu²⁺
后，L-Cys产生ΔI/I₀
=0.331的长时阻塞信号，L-Hcy则呈现ΔI/I₀
=0.388的短时信号。二项分布模型证实多级信号源于多通道同步检测。值得注意的是，去铁铁蛋白（apo-ferritin）仍保持相同传感能力，说明铁核不参与传导。

作用机制解析
量子化学计算显示S-Cu-N五元环构型最稳定（比N-Cu-O构型能量低15.2 kcal/mol）。QM/AA/CG模拟揭示Cys-Cu通过Cys126的-SH、Glu130的-COOH与His114的咪唑环形成三元协同作用，使C3通道最窄处半径从2.8?缩减至1.9?。Zn²⁺
竞争实验进一步验证这三个残基的关键性。

二肽检测拓展
在2 M KCl高离子强度下，带正电的CR（精氨酸）因体积排斥效应产生比CK（赖氨酸）更大的ΔI/I₀
（0.41 vs 0.39），而疏水的CF（苯丙氨酸）信号最弱（ΔI/I₀
=0.35）。负电二肽（CD/CE）因与C3通道静电排斥未被检测。

这项研究颠覆了"纳米孔必须为桶状结构"的传统认知，证明铁蛋白通过其天然C3/C4通道系统即可实现高性能传感。其意义在于：1）为纳米孔设计提供全新结构范式；2）利用内源性Cys126等残基避免工程改造；3）3-5?的天然窄孔提升空间分辨率。未来或可基于此策略开发更多非传统结构纳米孔，推动单分子检测向更广靶标范围拓展。