黄硕课题组JACS: 苯硼酸内嵌纳米孔实现食品药品内糖醇自动鉴定

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过量摄入糖分导致的肥胖和糖尿病的流行正在促使人类的饮食、生活方式和健康意识发生变化。越来越多的人选择使用低热量又有甜度的代糖加入到食物中代替蔗糖来减少碳水化合物的摄入。糖醇（alditol）就是食物中常见的一类代糖，其结构中仍然存在非常多手性中心，有多种多样的同分异构体和差向异构体结构。总体而言，人体对糖醇的吸收率远小于糖类，但不同的糖醇同分异构体在甜度和生理代谢水平方面具有很大差异。因此，在医疗和食品行业对糖醇水溶液的检测和鉴别过程中糖醇分子化学结构的相似性是需要面对的主要挑战之一。
        常规的分析方法，例如气相色谱法（GC）、高效液相色谱法（HPLC）、液质联用（LC-MS）等作为糖醇分析的标准方法已经被国内外分析测试公司使用，形成了比较标准的测试流程。然而，测试报告中显示目前的检测系统仅推荐对具有不同分子量或不同极性的少数几种糖醇（例如山梨糖醇、赤藓糖醇、木糖醇和甘露糖醇）进行定性分析和定量检测，未能实现混合物中与单醛糖相对应的所有13种糖醇的完全区分。此外，多数现有的检测方案需要通过糖醇的衍生来提高气化的速率，这将显著影响分析效率，且无法排除天然提取物中少量醛糖或酮糖对测试的干扰。因此亟待开发更加通用的多元醇类分子检测方案，构建全面的多元醇指纹数据库，以适用于食品药品质检等安全管控。

图1. 单个苯硼酸内嵌的MspA-PBA区分由甘油醛衍生出的15种单醛糖被还原所对应的13种糖醇结构

         纳米孔单分子化学的发展为多元醇的单分子鉴定提供了很好的基础。2022年6月，我院黄硕教授课题组在《德国应用化学》期刊首次报道了一种内嵌单个苯硼酸基团的异质MspA纳米孔检测器（MspA-PBA），展示了其对于9种单糖类分析物的单分子鉴定能力。近期，该课题组进一步展示了该检测器对于糖醇异构体出色的空间分辨率，构建了目前最全面的糖醇指纹电流数据库，包含了所有由甘油醛衍生出的15种单醛糖被还原所对应的13种糖醇结构，可以组成13对差向异构体。由于MspA-PBA纳米孔内唯一的苯硼酸基团与顺式二醇间可逆形成硼酸酯键，丙三醇和两种丁糖醇（赤藓醇、苏糖醇）、三种戊糖醇（阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇）、七种己糖醇（塔罗糖醇、甘露醇、古罗糖醇、半乳糖醇、山梨醇、艾杜糖醇和阿洛糖醇）通过扩散作用进入纳米孔内即可产生特异性相互作用，报告特征性的电流阻塞信号，且在任意组合的混合传感中高度可区分。

图2. 机器学习辅助的MspA-PBA糖醇自动检测系统检测市售4种零糖饮料和4种保健医药

        作者进一步提取了糖醇标准品产生的离子流阻塞的七个特征构建了机器学习分类系统，实现了对任意糖醇混合物中组分的自动化鉴定，验证正确率达99.4%。这种基于MspA-PBA和人工智能算法的糖醇自动分类系统可进一步直接用于四种市售的零糖饮料和四种含糖醇医药保健品的糖醇成分鉴定，无需对商品做任何纯化浓缩等预处理，仅几微升溶液或即可在几分钟内完成分析。这表明这种基于 MspA-PBA 的糖醇自动检测可能是一种极具潜力的多元醇分析新方法，具有高分辨率、高通量和便携性等优点。与之前该课题组构建的单糖、单磷酸核苷及其表观遗传修饰的指纹电流数据库相结合，这种基于MspA-PBA的多元醇自动检测系统在食品、药品、生物提取物的分析和鉴定方面均展现了高分析效率和高分辨率的检测能力，具有非常广阔的应用前景。
        该工作以“Nanopore identification of alditol epimers and their application in rapid analysis of alditol-containing drinks and healthcare products”为题，于2022年7月22日发表于《美国化学学会期刊》（文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04595, DOI: 10.1021/jacs.2c04595）, 我院刘瑶博士和博士生张善雨为该论文共同第一作者，我院黄硕教授为该论文的通讯作者，我院陈洪渊院士对该工作做出了重要指导。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院(ChemBIC)的重要支持，国家自然科学基金（项目编号：31972917, 91753108, 21675083）、中央高校基本科研业务费资助项目(项目编号：020514380257, 020514380261)、江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20200009）、南京大学科研计划项目(项目编号:ZYJH004)、上海市科技重大专项（项目编号：ZYJH004)、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室(项目编号：5431ZZXM1902，5431ZZXM2204)、南京大学科技创新基金资助项目、中国博士后科学基金资助项目(项目编号：2021M691508)等提供了经费支持。
        文章来源：南京大学
         黄硕，南京大学教授、博士生导师,2006年于南京大学物理系获得物理学学士学位；2011年于美国亚利桑那州立大学获得生物物理学博士学位； 导师是Stuart Lindsay教授；2011年至2014年在英国牛津大学从事博士后研究工作，导师是Hagan Bayley教授。 2015年7月应聘南京大学化学化工学院教授。现从事主要科研方向为具有仿生学概念的单分子纳米孔生物传感器的 新仪器，新技术的开发。以及基于纳米孔的单分子显微成像技术。其中在纳米孔单分子成像方面具有原创性技术， 具有国际前沿研发水平。目前已于国际权威期刊Nature Nanotechnology, Nano Letters, Journal of Physical Chemistry C, Nanotechnology, Review of Scientific Instrument发表论文9篇。总引用大于500次。 其中以第一作者发表Nature Nanotechnology 2篇，并入选2010年12月刊封面。已授权国际专利两项，并分别 转让Roche,OxfordNanopore Technologies等企业。