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

doi:10.7503/cjcu20250405

Abstract

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

CLC Number:

O657

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(2): 20250405.

Figures/Tables 3

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