随着生命科學的研究逐步聚焦于分子層面，研究行為背後的分子機制和單個分子的性質成為納米生物技術領域的熱點。利用納米技術，在納米尺寸控制、操作單個分子，并在單分子水平研究分子的物理和化學性質，可以剔除大量分子導緻的系綜誤差，有助于闡明分子的工作機制，具有重要的研究意義。固态納米孔技術是近年發展起來的無需标記的單分子探測技術，可以對單個分子進行尺寸、帶電量和力學的研究。固态納米孔是在絕緣薄膜表面加工的尺度在幾納米的小孔，通常被固定在裝滿離子溶液的兩個泳池中；在這兩個泳池中分别置入兩個電極，可以為單分子穿孔提供驅動力，同時采集通過孔道的離子電流，以及離子電流所攜帶的分子尺寸和帶電量等信息。這種單分子力學表征方式無需标記，簡單快速，具有重要的發展前景。核小體是染色體的基本結構單位，由八個組蛋白和纏繞在外圍的DNA分子構成，DNA分子與組蛋白分子纏繞的緊密程度（代表核小體結構的穩定性）會直接影響後續該段DNA的複制和表達。長期以來，修飾後作用被認為對核小體的穩定性和基因表達有直接影響，但由于探測技術有限，組蛋白的後修飾（例如泛素化修飾）對核小體結構的影響一直沒有定論。

近日，beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心趙清教授課題組與中國科學院生物物理研究所李國紅研究員課題組合作，利用固态納米孔力學表征技術實現了對單個核小體分子的操控，進而研究了兩種組蛋白後修飾對核小體結構的影響。聯合研究團隊首先利用實驗表明納米孔内DNA所受到的力以及核小體和組蛋白之間的相互作用力是決定核小體穿孔信号類型的兩個重要因素（圖1），并通過改變施加電場的大小，發現了DNA從組蛋白上解離的臨界電壓（圖2）；在此基礎上，探測了兩種泛素化修飾的組蛋白對核小體穩定性的影響，發現H2A組蛋白上的泛素化增強了DNA和組蛋白之間的相互作用，而H2B組蛋白上的泛素化減弱了DNA和組蛋白之間的相互作用，從而使核小體結構不穩定，有利于後續基因表達。該技術有望發展成為低成本、快速的核小體泛素化探測手段，對基于泛素化的基因調控研究具有重要意義。

圖1 （a-e）交聯核小體的穿孔示意圖和離子電流信号；（f）COMSOL模拟核小體被納米孔捕獲後孔内的電場分布；（g）作用在DNA上的力随電壓的變化

圖2 （左圖）穿孔電流信号的平均穿孔時間随電壓的變化以及解離臨界電壓；（右圖）核小體的穿孔示意圖

2022年1月21日，相關研究成果以“利用固态納米孔探測組蛋白泛素化對單個核小體的影響”（Probing the effect of ubiquitinated histone on mononucleosomes by translocation dynamics study through solid-state Nanopores）為題，在線發表于《納米快報》（Nano Letters）；beat365官方网站博士後胡蕊和中國科學院生物物理研究所博士後劉翠芳為共同第一作者，趙清和李國紅為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金，及beat365長三角光電科學研究院、量子物質材料協同創新中心等支持。

論文原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02978