纳米孔化学计量学是获得分子信息的一种全新技术手段，其应用范围覆盖分子检测、分子动力学模拟、生物物理过程与生物化学反应精确测量等多个重要领域。然而作为一种全新的检测技术与方法，纳米孔化学计量学往往受制于孔材料的性质和电解质检测体系等因素。
前期，针对电解质对纳米孔电学性能调控发挥的重要作用，重庆研究院王亮团队探讨了霍夫曼斯特效应对纳米孔稳定性和电学检测性能的影响，揭示了纳米孔化学计量学中电学参数调控的物理机制。近期，为进一步解决纳米孔检测所面临的局限性，团队聚焦新生物材料开发，构建了全新的炭疽蛋白纳米孔作为纳米孔器件研究的新范式（图1）。
研究中依靠酸性环境炭疽病毒的自组装机制，利用质子梯度驱动特性构筑了电学特性稳定、信噪比增强、分辨率高的功能性炭疽纳米孔，并展示了卓越的分子传感能力。该研究以“Single-Molecule Sensing with an Anthrax Nanopore Enabled by pH-Asymmetric Ionic Liquids”为题在《Journal of Nanobiotechnology》上发表。重庆研究院硕士研究生张执锐为论文第一作者，王亮和Xiyun Guan教授（University of Missouri,Columbia,US）为论文通讯作者。
图 1 炭疽蛋白纳米孔体系构建及单分子检测应用
三聚氰胺（Melamine，MA）是一种广为熟识的有毒小分子，具有和腺嘌呤（A）类似的化学结构，可以形成与腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）非常相似的胸腺嘧啶-三聚氰胺（T-MA）碱基对，作为基本的化学模块形成DNA螺旋（图 2）。该细微结构的变化可能导致遗传信息的丢失、突变，影响基因组功能而诱发病变，常规的检测方法很难把它们检测出来。
为了在分子层面上理解MA-DNA结合的序列特异性、结合方式、结合过程中的动力学变化，研究团队依托前期对DNA结构中Watson-Crick 和Hoogsteen氢键精确测量的研究基础，进一步实现了单碱基对分辨率上DNA结构中非经典T-MA氢键结构的精确测量。纳米孔单分子动力学研究揭示了与MA结合DNA分子的稳定性相较于普通DNA分子明显增强。研究为探究DNA与小分子的相互作用以及DNA损伤、碱基切除修复识别提供了一种高分辨检测手段。相关成果以“Single-Molecule Nanopore Detection of Non-Canonical Thymine-Melamine Hydrogen Bonding Base Pair in DNA Abasic Site”为题发表在《Small Methods》杂志上。硕士研究生刘世龙为论文第一作者，王亮为论文通讯作者。
图 2 纳米孔单分子测量对DNA中胸腺嘧啶-三聚氰胺氢键结构的识别
环境中的重金属暴露导致金属离子失衡会显著影响大脑Tau蛋白的功能和结构变化诱导阿尔兹海默病。现有方法难以在低浓度下实现对金属离子诱导Tau蛋白结构聚集变化的检测。针对这一难题，研究团队实时测量了九种金属离子所引起的Tau蛋白构象变化，并通过分析纳米孔单个蛋白分子的电流信号指纹图谱变化，揭示了不同金属离子在促进Tau蛋白聚集过程中的催化效率强弱（Zn²⁺ > Cu²⁺ > Hg²⁺ > Mn²⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Cr³⁺ > Fe³⁺ > Pb²⁺）。研究为金属失调驱动的蛋白结构稳态变化提供了新的、高效的检测方法。相关成果“Nanopore Measurement on Metals Induced Tau Protein Aggregation at Nanoscale”获得IEEE 3M-NANO 2025 国际研讨会大会优秀论文奖。重庆研究院研究生刘千山为论文第一作者，王亮为论文通讯作者。
以上工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、重庆英才、重庆市自然科学基金、中国科学院“青促会”以及美国NSF和NIH等项目的支持。
相关论文链接如下：
https://doi.org/10.1186/s12951-025-03817-w
https://doi.org/10.1002/smtd.202501445.