DNA折纸纳米孔的结构演化与功能调控：从仿生离子通道到核孔复合体模拟

本研究系统综述了DNA折纸纳米孔的三阶段发展历程（杂化纳米孔、垂直插入纳米孔和水平排列纳米孔），通过整合单分子传感、跨膜运输调控和动态门控机制，解决了传统固态纳米孔化学特异性不足和天然蛋白孔结构复杂的问题，为合成生物学和纳米医学提供了可编程的生物界面工具。

　　

在生命科学和纳米技术的交叉领域，如何构建兼具结构稳定性和功能可调性的仿生纳米孔一直是重大挑战。天然离子通道和核孔复合体(NPC)虽然具有卓越的选择性，但其复杂结构和依赖生物环境的特性限制了工程化应用；而传统固态纳米孔尽管机械强度高，却难以实现动态功能调控。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约了高精度分子检测和可控药物递送等关键技术的发展。

西安交通大学的研究团队在《Materials Today Bio》发表综述，系统梳理了DNA折纸纳米孔技术的演化路径。这项研究创新性地将发展历程划分为三个里程碑阶段：早期杂化设计阶段将DNA折纸结构与固态平台结合，解决了孔径定制化问题但存在膜兼容性缺陷；垂直插入阶段通过疏水修饰实现脂质双分子层融合，但受限于狭窄的管腔尺寸；最终水平排列阶段采用模块化组装策略，成功模拟NPC的大尺度运输功能并实现刺激响应性门控。这种阶梯式的技术演进，为开发下一代智能纳米孔提供了系统性框架。

研究主要运用了三种关键技术：单通道电流记录技术用于表征纳米孔电导特性，荧光恢复实验(FRAP)验证分子跨膜运输效率，以及粗粒化分子动力学(CG-MD)模拟揭示结构-功能关系。通过整合这些方法，团队建立了从纳米级结构设计到宏观功能实现的完整研究体系。

在杂化DNA纳米孔部分，研究揭示了硅氮化物(SiN)-DNA复合结构的电压敏感性，发现施加300-500 mV电压会导致λ-DNA易位频率下降10倍，这种构象依赖性为开发电控纳米阀门提供了思路。垂直插入纳米章节中，胆固醇修饰的T型DNA孔实现了4 nm管腔直径和3.1 nS电导值，能检测527 bp dsDNA的170 μs短暂停留，展示了优异的时空分辨率。最引人注目的是水平排列纳米孔部分，通过cDICE(连续液滴界面交联封装)技术将管腔扩大至28 nm的八边形DNA孔，成功模拟了NPC的尺寸选择性运输功能。

动态调控机制的突破尤为显著。研究团队开发的机械门控DNA纳米通道具有416 nm²的可调开口面积，通过寡核苷酸链置换反应实现亚秒级开闭切换；而三态可重构的DNA MechanoPore则能在关闭态、中间态和开放态间精准转换，这种多稳态设计为开发仿生逻辑门奠定了基础。特别值得关注的是三角形DNA纳米孔，其通过原位构象变化实现10-30 nm的管腔动态调节，在SARS-CoV-2抗体检测中展现出<100 pM的检测限，为即时诊断提供了新工具。

该研究的核心价值在于建立了DNA纳米孔的设计范式：从静态结构到动态功能，从单一运输到智能门控，从分子检测到生物调控。这种多尺度、多维度的技术整合，不仅推动了纳米孔本身性能的跃升，更重要的是为合成生物学提供了模块化构建生命系统的全新思路。未来通过融合机器学习算法优化结构设计，结合冷冻电镜(cryo-EM)实现原子级表征，DNA折纸纳米孔有望在单分子诊断、靶向给药和人工细胞构建等领域带来革命性突破。正如研究者强调的，这项工作的真正意义在于"用程序化的DNA链，编织出通向生命奥秘的智能通道"。