综述：DNA纳米孔工程：从结构演化到传感与运输

这篇综述系统梳理了DNA纳米孔（DNA origami nanopores）的技术演进，从早期混合纳米孔（hybrid nanopores）、垂直插入式设计到水平排列结构的三大发展阶段，重点探讨了其在仿生离子通道、单分子传感（single-molecule sensing）和跨膜运输（transmembrane transport）中的应用潜力。文章强调DNA纳米孔的结构可编程性（structural programmability）和机械可调性（mechanical tunability），同时指出稳定性、噪声控制和规模化生产的挑战，为合成生物学（synthetic biology）和纳米医学（nanomedicine）提供了前瞻性路线图。

　　

DNA纳米孔工程：从结构演化到传感与运输

混合DNA纳米孔

早期混合纳米孔将DNA折纸结构与固态纳米孔（如氮化硅、石墨烯）结合，实现了可定制的几何形状和表面功能化。例如，Liedl和Keyser开发的3D DNA折纸结构可通过电压调控实现λ-DNA的传感，而Dietz团队利用DNA纳米板覆盖固态孔，实现了尺寸选择性门控。然而，这类设计存在离子泄漏和电压依赖性变形问题，尤其在低盐浓度下稳定性不足。

分子传感方面，DNA折纸与玻璃纳米毛细管的整合展示了电压敏感特性，而Dekker团队的电渗阱技术实现了单蛋白质分析。尽管混合纳米孔在信号分辨率（如信噪比SNR>100）和电流稳定性（300–500 mV范围内）取得进展，但其依赖固态平台和有限的生物相容性制约了进一步发展。

垂直插入式DNA纳米孔

为模拟天然离子通道，研究者开发了垂直插入脂质双层的DNA纳米孔。Dietz和Simmel首次设计出由M13mp18单链DNA构成的通道状结构，其胆固醇修饰的锚定模块实现了膜嵌入。Howorka团队的圆柱形DNA纳米孔通过烷基疏水带插入膜内，而Chen等人开发的囊泡激活型纳米孔展现了靶向治疗潜力。

门控机制上，电压（–80 mV至+60 mV）和盐浓度（0.3–1.0 M NaCl）可调控孔道开闭，而外部寡核苷酸（如分子阀门）和光敏元件（如偶氮苯修饰）实现了动态运输控制。孔径扩展方面，T形纳米孔（4 nm腔体）可检测527 bp dsDNA，而漏斗形设计（6 nm）支持EGF_P（66分子/秒）等蛋白质的跨膜转运。模块化组装策略进一步实现了微米级通道的构建，为细胞间信号传导研究提供了工具。

水平排列DNA纳米孔

水平排列设计突破了垂直孔道的尺寸限制，更接近核孔复合物（NPC）的功能。Lin团队通过环状DNA支架组织FG核孔蛋白（FG-nups），揭示了疏水氨基酸对致密网络形成的关键作用。Dekker和Dietz利用cDICE技术将超宽孔道（28 nm）整合至脂质囊泡，实现了右旋糖酐（dextran）的尺寸选择性运输。

动态功能上，Yan和Howorka开发的机械门控纳米通道（416 nm²开口）通过水平排布实现了蛋白质的按需运输。Xing团队的多亚基三角形孔（Tri-20）可特异性检测SARS-CoV-2抗体，而Heuer-Jungemann的DNA MechanoPore通过构象切换（闭合-中间-开放）实现了低噪声分子传感。

挑战与展望

当前DNA纳米孔面临结构稳定性（如水平排列孔道的电流波动）和膜嵌入效率（如大孔径自发性插入困难）等瓶颈。未来需结合多尺度计算模拟（如分子动力学预测构象-电导关联）和机器学习优化设计，推动其在单分子诊断、靶向给药和合成细胞等领域的应用。通过强化材料支撑（如胆固醇锚定优化）和门控机制创新，DNA纳米孔有望成为连接纳米技术与生命科学的桥梁。