Aerolysin纳米孔道探究硫酸乙酰肝素与金属离子的单分子相互作用

doi:10.7503/cjcu20250405

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 20250405.doi: 10.7503/cjcu20250405

Aerolysin纳米孔道探究硫酸乙酰肝素与金属离子的单分子相互作用

张鹏玲¹, 高凡², 陈嘉乐⁶, 邹爱华¹(), 汤娟³(), 马慧⁴(), 蒋翠玲⁵(), 万永菁⁵(), 夏冰清⁶, 李铁海⁶(), 高召兵⁶, 应佚伦²(), 龙亿涛²

^1.上海师范大学化学与材料科学学院, 上海 200234
^2.南京大学化学学院, 分子传感与成像中心, 南京 210023
^3.江西师范大学化学与材料学院, 南昌 330022
^4.浙江理工大学化学与化工学院, 杭州 310018
^5.华东理工大学信息科学与工程学院, 上海 200237
^6.中国科学院上海药物研究所, 上海 201203

收稿日期:2025-12-29 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-01-10
通讯作者: 邹爱华 E-mail:aihuazou@shnu.edu.cn;juantang@jxnu.edu.cn;huima@zstu.edu.cn;cuilingjiang@ecust.edu.cn;wanyongjing@ecust.edu.cn;tiehaili@simm.ac.cn;yilunying@nju.edu.cn
作者简介:汤娟, 女, 博士, 教授, 主要从事功能材料性能分析及应用方面的研究. E-mail: juantang@jxnu.edu.cn
马慧, 女, 博士, 特聘教授, 主要从事单体碰撞电化学、纳米孔道单分子分析方面的研究. E-mail: huima@zstu.edu.cn
蒋翠玲, 女, 博士, 副教授, 主要从事智能信息处理方面的研究. E-mail: cuilingjiang@ecust.edu.cn
万永菁, 女, 博士, 教授, 主要从事智能信息处理、模式识别与机器学习方面的研究. E-mail: wanyongjing@ecust.edu.cn
李铁海, 男, 博士, 研究员, 主要从事糖化学和糖药物学方面的研究. E-mail: tiehaili@simm.ac.cn
应佚伦, 女, 博士, 教授, 主要从事单分子电化学测量方面的研究. E-mail: yilunying@nju.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
上海市市级科技重大专项项目、国家自然科学基金(32250019);上海市市级科技重大专项项目、国家自然科学基金(22474055);中央高校基本科研业务费专项资金(020514380356)

Single-molecule Investigation of Heparan Sulfate-metal Ion Interactions Using Aerolysin Nanopore

ZHANG Pengling¹, GAO Fan², CHEN Jiale⁶, ZOU Aihua¹(), TANG Juan³(), MA Hui⁴(), JIANG Cuiling⁵(), WAN Yongjing⁵(), XIA Bingqing⁶, LI Tiehai⁶(), GAO Zhaobing⁶, YING Yilun²(), LONG Yitao²

^1.College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234
^2.Molecular Sensing and Imaging Center，School of Chemistry，Nanjing University，Nanjing 210023
^3.College of Chemistry and Materials，Jiangxi Normal University，Nanchang 330022
^4.School of Chemistry and Chemical Engineering； Zhejiang Sci?Tech University，Hangzhou 310018
^5.School of Information Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237
^6.Shanghai Institute of Materia Medica，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201203

Received:2025-12-29 Online:2026-02-10 Published:2026-01-10
Contact: ZOU Aihua E-mail:aihuazou@shnu.edu.cn;juantang@jxnu.edu.cn;huima@zstu.edu.cn;cuilingjiang@ecust.edu.cn;wanyongjing@ecust.edu.cn;tiehaili@simm.ac.cn;yilunying@nju.edu.cn
Supported by:
the Shanghai Municipal Science and Technology Major Project, China, the National Natural Science Foundation of China(32250019);the Special Fund for the Basic Scientific Research of Central Universities, China(020514380356)

摘要/Abstract

关键词: 气单胞菌溶素, 单分子分析, 纳米孔道, 硫酸乙酰肝素, 金属离子

Abstract:

Heparin（HP） and heparan sulfate（HS） are highly anionic glycosaminoglycans that play essential roles in diverse biological processes through the metal ion-mediated interactions with proteins. However， direct characterization of HS-metal ion interactions at the single-molecule level in solution remains challenging. Nanopore electrochemistry is a label-free and single-molecule technique that enables direct analysis of individual molecular interactions. In this study， a T232K/K238Q Aerolysin nanopore featuring an enhanced electrostatic repelling barrier was utilized to probe the interactions between HS and different metal ions. By systematically varying the electrolyte cations（Na⁺， K⁺， and Ca²⁺）， we have found that the metal ions significantly regulate HS translocation behavior by modulating its conformation， charge screening， and HS-nanopore interactions. Notably， in addition to Ca²⁺， which exhibits strong binding affinity to HS， the monovalent cations Na⁺ and K⁺ with similar physicochemical properties and weaker binding also induce distinct single-molecule signal signatures. Our results demonstrate that the nanopore-based single-molecule analysis holds strong potential to resolve the fine structural features of HS， enabling the characterization of sulfation site distributions， repeat-unit lengths， and related sequence features， and thereby providing a new avenue for high-resolution analysis of complex glycans.

Key words: Aerolysin, Single-molecule sensing, Nanopore, Heparan sulfate, Metal ion

中图分类号:

O657

TrendMD:

张鹏玲, 高凡, 陈嘉乐, 邹爱华, 汤娟, 马慧, 蒋翠玲, 万永菁, 夏冰清, 李铁海, 高召兵, 应佚伦, 龙亿涛. Aerolysin纳米孔道探究硫酸乙酰肝素与金属离子的单分子相互作用. 高等学校化学学报, 2026, 47(2): 20250405.

ZHANG Pengling, GAO Fan, CHEN Jiale, ZOU Aihua, TANG Juan, MA Hui, JIANG Cuiling, WAN Yongjing, XIA Bingqing, LI Tiehai, GAO Zhaobing, YING Yilun, LONG Yitao. Single-molecule Investigation of Heparan Sulfate-metal Ion Interactions Using Aerolysin Nanopore. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(2): 20250405.

图/表 3

Fig.1 High⁃sensitivity sensing of HS⁃5 using the T232K/K238Q Aerolysin nanopore（A） Schematic illustration of HS sensing by T232K/K238Q Aerolysin；（B） I⁃V curves of T232K/K238Q Aerolysin recorded in different electrolyte buffers；（C） molecular structure of the heparan sulfate pentasaccharide（HS⁃5）；（D） illustrations of HS⁃ion binding， typical current traces， and enlarged events for T232K/K238Q Aerolysin sensing HS⁃5 in different electrolyte buffers at an applied voltage of 70 mV.（A） Metal ions are shown in red， chloride ions in green， and the mutation sites（T232K and K238Q） in purple；（B） the sulfate groups highlighted in red.

Fig.2 Single⁃molecule events of HS⁃5 in different metal ion buffersDensity plots of a single HS-5 translocating through T232K/K238Q Aerolysin at applied voltages of 60（A1， B1， C1）， 80（A2， B2， C2）， and 100 mV（A3， B3， C3） in buffers containing NaCl（A1—A3）， KCl（B1—B3）， and CaCl2（C1—C3）， respectively. The concentrations of all three electrolytes were fixed at 1.0 mol/L.

Fig.3 Influence of different metal ions on the translocation behavior of HS⁃5（A） Statistical analysis of duration time（τoff）；（B） current blockage（I/I0）；（C） frequency（f） of HS⁃5 in different metal ion buffers at applied voltages ranging from 60 to 100 mV.

参考文献 43

[1]	Rabenstein D. L.， Nat. Prod. Rep.， 2002， 19（3）， 312—331
[2]	Capila I.， Linhardt R. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2002， 41（3）， 390—412
[3]	Zong C.， Venot A.， Li X.， Lu W.， Xiao W.， Wilkes J. S. L.， Salanga C. L.， Handel T. M.， Wang L.， Wolfert M. A.， Boons G. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（28）， 9534—9543
[4]	Nguyen T. H.， Kim S. H.， Decker C. G.， Wong D. Y.， Loo J. A.， Maynard H. D.， Nat. Chem.， 2013， 5（3）， 221—227
[5]	Parish C. R.， Nat. Rev. Immunol.， 2006， 6（9）， 633—643
[6]	Khorana A. A.， Mackman N.， Falanga A.， Pabinger I.， Noble S.， Ageno W.， Moik F.， Lee A. Y.， Nat. Rev. Dis. Primers， 2022， 8， 11
[7]	Xu D.， Esko J. D.， Annu. Rev. Biochem.， 2014， 83（1）， 129—157
[8]	Sheng J.， Olrichs N. K.， Geerts W. J.， Kaloyanova D. V.， Helms J. B.， Sci. Rep.， 2019， 9（1）， 15048
[9]	Zhang F.， Liang X.， Beaudet J. M.， Lee Y.， Linhardt R. J.， J. Biomed. Tech. Res.， 2014， 1（1）， 6000101
[10]	Sieme D.， Griesinger C.， Rezaei-Ghaleh N.， Int. J. Mol. Sci.， 2022， 23（21）， 13185
[11]	Rudd T. R.， Guimond S. E.， Skidmore M. A.， Duchesne L.， Guerrini M.， Torri G.， Cosentino C.， Brown A.， Clarke D. T.， Turnbull J. E.， Fernig D. G.， Yates E. A.， Glycobiology， 2007， 17（9）， 983—993
[12]	Seo Y.， Schenauer M. R.， Leary J. A.， Int. J. Mass Spectrom.， 2011， 303（2/3）， 191—198
[13]	Guo P.， Min K.， Luo W.， Huang S.， Yang Z.， Ma M.， Liu S.， Fang Z.， Chen B.， Zuilhof H.， Talanta， 2021， 234， 122674
[14]	Katner S. J.， Johnson W. E.， Peterson E. J.， Page P.， Farrell N. P.， Inorg. Chem.， 2018， 57（6）， 3116—3125
[15]	Ying Y. L.， Hu Z. L.， Zhang S.， Qing Y.， Fragasso A.， Maglia G.， Meller A.， Bayley H.， Dekker C.， Long Y. T.， Nat. Nanotechnol.， 2022， 17（11）， 1136—1146
[16]	Deamer D.， Akeson M.， Branton D.， Nat. Biotechnol.， 2016， 34（5）， 518—524
[17]	Cao C.， Ying Y. L.， Hu Z. L.， Liao D. F.， Tian H.， Long Y. T.， Nat. Nanotechnol.， 2016， 11（8）， 713—718
[18]	Cao C.， Liao D. F.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Acta Chim. Sinica， 2016， 74（9）， 734—737
	曹婵，廖冬芳，应佚伦，龙亿涛. 化学学报， 2016， 74（9）， 734—737
[19]	Hu Z. L.， Du J. H.， Ying Y. L.， Peng Y. Y.， Cao C.， Long Y. T.， Acta Chim. Sinica， 2017， 75（11）， 1087—1090
	胡正利，杜冀晖，应佚伦，彭岳一，曹婵，龙亿涛. 化学学报， 2017， 75（11）， 1087—1090
[20]	Wu X. Y.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 1825—1831
	武雪原，应佚伦，龙亿涛. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 1825—1831
[21]	Galenkamp N. S.， Biesemans A.， Maglia G.， Nat. Chem.， 2020， 12（5）， 481—488
[22]	Jiang J.， Li M. Y.， Wu X. Y.， Ying Y. L.， Han H. X.， Long Y. T.， Nat. Chem.， 2023， 15（4）， 578—586
[23]	Chen T. Z.， Hu F. Z.， Lin X. B.， Ying Y. L.， Zou A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（11）， 212—220
	陈天泽，胡方舟，林绪波，应佚伦，邹爱华. 高等学校化学学报， 2024， 45（11）， 212—220
[24]	Chen D.， Zheng F.， Qin G.， Zou L.， Ma C.， Liu W.， Wang H.， Sha J.， Analyst， 2026， doi： 10.1039/D5AN01140J
[25]	Sutherland T. C.， Long Y. T.， Stefureac R. I.， Bediako-Amoa I.， Kraatz H. B.， Lee J. S.， Nano Lett.， 2004， 4（7）， 1273—1277
[26]	Wang J.， Prajapati J. D.， Gao F.， Ying Y. L.， Kleinekathöfer U.， Winterhalter M.， Long Y. T.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（33）， 15072—15078
[27]	Liu W.， Zhu Q.， Yang C. N.， Fu Y. H.， Zhang J. C.， Li M. Y.， Yang Z. L.， Xin K. L.， Ma J.， Winterhalter M.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Nat. Nanotechnol.， 2024， 19（11）， 1693—1701
[28]	Li M.， Xiong Y.， Cao Y.， Zhang C.， Li Y.， Ning H.， Liu F.， Zhou H.， Li X.， Ye X.， Nat. Commun.， 2023， 14（1）， 1737
[29]	Yao G.， Tian Y.， Ke W.， Fang J.， Ma S.， Li T.， Cheng X.， Xia B.， Wen L.， Gao Z.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（19）， 13356—13366
[30]	Zhang S.， Cao Z.， Fan P.， Sun W.， Xiao Y.， Zhang P.， Wang Y.， Huang S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2024， 63（8）， e202316766
[31]	Gao F.， Wang J. H.， Ma H.， Xia B.， Wen L.， Long Y. T.， Ying Y. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 64（9）， e202422118
[32]	Wang J. H.， Ma W.， Hu Z. L.， Gao Z.， Long Y. T.， Li T.， Ying Y. L.， Research， 2025， 8， 0850
[33]	Wang Y.， Ma H.， Long Y. T.， Ying Y. L.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（2）， 272—278
[34]	Niu H.， Li M. Y.， Gao Y.， Li J. G.， Jiang J.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Nat. Chem. Biol.， 2025， 21（5）， 716—726
[35]	Gu Z.， Wang H.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Sci. Bull.， 2017， 62（18）， 1245—1250
	顾震，王慧锋，应佚伦，龙亿涛. 科学通报， 2017， 62（18）， 1245—1250
[36]	Gu Z.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Sci. China Chem.， 2018， 61（12）， 1483—1485
	顾震，应佚伦，龙亿涛. 中国科学：化学， 2018， 61（12）， 1483—1485
[37]	Yang C. Y.， Gu Z.， Hu Z. L.， Ying Y. L.， Long Y. T.， J. Electrochem.， 2019， 25（3）， 312—318
	杨铖宇，顾震，胡正利，应佚伦，龙亿涛. 电化学， 2019， 25（3）， 312—318
[38]	Liu S. C.， Xie B. K.， Zhong C. B.， Wang J.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Rev. Sci. Instrum.， 2021， 92（12）， 121301
[39]	Li M. Y.， Ying Y. L.， Yu J.， Liu S. C.， Wang Y. Q.， Li S.， Long Y. T.， JACS Au， 2021， 1（7）， 967—976
[40]	Li M. Y.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Acta Chim. Sinica， 2019， 77（10）， 984—988
	李孟寅，应佚伦，龙亿涛. 化学学报， 2019， 77（10）， 984—988
[41]	Li S.， Wu X. Y.， Li M. Y.， Liu S. C.， Ying Y. L.， Long Y. T.， Small Methods， 2020， 4（11）， 2000014
[42]	Stevic I.， Parmar N.， Paredes N.， Berry L. R.， Chan A. K.， Cell Biochem. Biophys.， 2011， 59（3）， 171—178
[43]	Remko M.， Van Duijnen P. T.， Broer R.， RSC Advances， 2013， 3（25）， 9843—9853

Aerolysin纳米孔道探究硫酸乙酰肝素与金属离子的单分子相互作用

Single-molecule Investigation of Heparan Sulfate-metal Ion Interactions Using Aerolysin Nanopore

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[1]	温哥华, 薛静漪. 一维铀酰羧酸膦酸配位聚合物对水溶液中Fe³⁺的高灵敏选择性检测[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(12): 20250165.
[2]	陈俊杰, 张瑞丹, 陈越. 单层GeTe在锂/钠/钾离子电池中潜在应用的第一性原理研究[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(7): 20240148.
[3]	王文春, 马天赐, 刘春生. 二维半导体R57-BN作为钠离子电池阳极材料的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20240043.
[4]	崔力, 李素慧, 郑星, 常天俊, 邴涛. 金属离子对二甲亚砜依赖的RNA切割型脱氧核酶催化活性的影响[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20240004.
[5]	陈天泽, 胡方舟, 林绪波, 应佚伦, 邹爱华. 基于Aerolysin纳米孔道的单个β-淀粉样多肽N-端片段分析[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240192.
[6]	陈顺兰, 许丹妮, 李学锋, 彭格格, 黄以万, 龙世军, 张高文. 金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230192.
[7]	曹忠, 郭佩弦, 薛书蕾, 肖忠良, 谭淑琪, 亢璇, 冯泽猛, 印遇龙, 马天骥. 肽适体修饰纳米孔道对L⁃精氨酸的灵敏检测[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20220758.
[8]	李华, 杨科, 黄俊峰, 陈凤娟. UiO-66-NH₂/wood的设计构筑及高效去除水中微量重金属离子性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210701.
[9]	赵开庆, 吴若雨, 罗翌峰, 石春红, 胡军. 在多孔有机聚合物中构筑广谱性重金属离子吸附活性位[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 834.
[10]	梁钰昕, 赵容, 梁馨月, 方晓红. 细胞膜上信号转导蛋白的单分子成像与分析[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1127.
[11]	武雪原, 应佚伦, 龙亿涛. Aerolysin单分子界面的构建及高选择性单分子检测[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1825.
[12]	芦思珉, 于汝佳, 龙亿涛. 基于石英纳米孔道的单颗粒尺寸分布分析[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2281.
[13]	任晶, 王书刚, 李延春, 杨清彪, 宋岩, 李耀先. AOPAN@PAN同轴纳米纤维的制备及吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 825.
[14]	徐中轩, 吕国岭. 一个具有杂金属链和蜂巢状纳米孔道结构的三维配位聚合物的合成与表征[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(9): 1531.
[15]	刘志, 李炳睿, 潘艳雄, 石凯, 王伟财, 彭超, 王哲, 姬相玲. 接枝亲水型高分子的丝瓜络对水中重金属离子的吸附行为[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 669.