英文原题：Discrimination of Single and Isomeric Amino Acids in Peptides Using a Multi-Walled Carbon Nanotube Porin Sensing System
通讯作者：司伟（东南大学）
作者：Junzhou He（何军舟）, Gensheng Wu（伍根生）
蛋白质是生命体系的基本组成部分，其功能由氨基酸序列决定，因此蛋白质测序对疾病诊断和治疗具有重要意义。然而，传统方法如Edman降解与质谱在样品纯度、检测通量和便携化方面存在局限，光学成像、隧穿电流及冷冻电镜等替代技术也受制于样品制备复杂、信号多态或无法在溶液中检测等问题，难以满足单分子高效测序的需求。纳米孔因低成本和高通量优势已用于DNA与RNA检测，但蛋白质由二十余种带不同电荷、极性和体积的氨基酸组成，其复杂性远超DNA，现有基于离子电流的策略仍不足以实现单残基分辨。碳纳米管凭借管状结构、优异力学电学性能及类蛋白质通道效应，被视为新一代高分辨率纳米孔材料，能够通过非共价相互作用调控转运速率并调制电流信号，但如何在单一碳纳米管内同时区分所有氨基酸并精确定位残基替代位置仍是亟待解决的挑战。
图1. 多壁碳纳米管孔道传感系统示意图
近日，东南大学司伟团队提出了一种多壁碳纳米管孔道传感系统（CNTPSS），用于识别蛋白质氨基酸以及在多肽链上的氨基酸位点。研究通过分子动力学模拟揭示了多肽与碳纳米管之间强范德华作用的机制，该作用是显著降低多肽转运速率的关键因素。当氨基酸残基穿过碳纳米管时，其不同侧链与管壁的相互作用表现出明显差异。得益于碳纳米管内壁光滑的管状结构，该系统能够将空间位阻效应与范德华力共同作为区分氨基酸的主要依据。结果显示，该多壁碳纳米管孔道传感系统不仅能够直接识别多达十种蛋白质氨基酸（尤其包括异构残基），还可以在亚纳米尺度上精确定位多肽链中单个氨基酸的替换位置，并识别特定位点的氨基酸变化。这些发现为实现高分辨率蛋白质测序提供了新的思路。
在双壁CNTPSS中，蛋白质与碳管之间的强相互作用有利于随机传感：肽链牵引可导致内层碳管发生可逆位移，并在外层碳管的范德华力作用下恢复原位。这一独特的动态过程奠定了高分辨率碳管传感器的基础。相比之下，现有依赖电导或双极载体的纳米孔测序方法在准确性和复杂性上仍存在不足。本研究通过揭示蛋白质氨基酸与碳纳米管间相互作用的差异，实现了十种氨基酸残基的高精度区分。
图2. 双壁CNTPSS识别十种蛋白质氨基酸
为探索多壁CNTPSS的优势，作者在双壁CNTPSS中引入了一个传感区。模拟结果表明，在不同位置引入Leu取代会持续降低CNT1与CNT2的质心位移，而当Leu与Ile在相同位置取代时，则表现出显著不同的下降幅度。这一现象表明，该体系不仅能够区分肽链上不同位置的氨基酸取代，还能识别特定位点的氨基酸，包括同分异构体。
为了进一步验证CNTPSS在区分位点与同分异构氨基酸方面的能力，作者设计了肽链T1I2T6L2T1。令人惊讶的是，该体系能够清晰地区分肽链中单一氨基酸取代的不同位置。综合结果不仅证实了CNTPSS对多种蛋白质氨基酸的识别能力，也进一步展示了其在精确区分肽链上不同位置取代、特定位点氨基酸种类以及同分异构体方面的潜力。尤其值得注意的是，该体系展现了对大分子量氨基酸实现单残基位点取代识别的独特优势。
图3. 多壁CNTPSS识别不同氨基酸位点
总结/展望
多壁CNTPSS以空间位阻效应和相互作用力差异为核心识别机制，可直接区分多达十种蛋白质氨基酸（含同分异构体），并以亚纳米级分辨率精准定位多肽链中的残基替换。尽管蛋白质测序因其高度复杂性仍具挑战，但该体系能够提供位点特异性的信息，对单分子指纹识别与变体检测具有重要意义。这一策略有望实现实时、高分辨率的氨基酸识别，并拓展碳纳米管传感器在蛋白质测序中的应用前景。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters 上，东南大学机械工程学院博士研究生何军舟为第一作者，导师司伟为通讯作者。
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Discrimination of Single and Isomeric Amino Acids in Peptides Using a Multi-Walled Carbon Nanotube Porin Sensing System
Junzhou He, Gensheng Wu, Wei Si*
ACS Materials Lett. 2025, 7, XXX, 3243–3251
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00676
Published August 28, 2025
© 2025 American Chemical Society
作者信息
司伟 东南大学机械工程学院医学装备系主任，博士生导师
司伟博士，2007-2018年期间获东南大学学士、博士学位。2015-2017年国家公派联培伊利诺伊州大学香槟分校（美国）物理系。研究方向为机械操控及机器人技术、流体动力学及传感器等。在Journal of the American Chemical Society、ACS Nano、Small、Carbon等国内外期刊发表SCI论文60余篇，申请和授权发明专利20余项。近年来作为主持人承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学青年基金、江苏省基础研究计划（自然科学基金）优秀青年基金、江苏省基础研究计划（自然科学基金）青年基金、江苏省科协青年科技人才托举工程等项目。获江苏医学科技奖一等奖和Wiley中国开放科学高贡献作者奖等荣誉十余项。
司伟课题组依托东南大学江苏省精准医学装备设计与制造重点实验室招收硕士、博士生及博后。请感兴趣的同学将个人简历及相关证明材料发送至邮箱：wei.si@seu.edu.cn，邮件主题请注明“毕业学校-姓名-硕博（博后）”。
https://www.x-mol.com/university/faculty/261988
何军舟 东南大学机械工程学院，博士研究生
何军舟于2023年在哈尔滨工程大学获得硕士学位，并于2023年9月加入东南大学司伟团队攻读博士学位。目前主要从事微纳传感及驱动方面的研究，并以第一作者在Carbon (IF=11.6) 等期刊发表论文两篇，授权发明专利一项。
（本稿件来自ACS Publications）