自然界中许多共价结合的分子并不是一成不变的，它们的分子在不停地翻转，分子翻转可能会导致分子构型的变化。由于缺乏有利的工具，单个分子的翻转很难被实时监测。生物纳米孔是一类单分子传感器，它具有很好的时间和空间分辨率。工程化的生物纳米孔可用作纳米反应器以监测很多动态的化学过程。当单个分子通过化学键与纳米孔连接时，分子的翻转过程很容易被纳米孔捕获，但是相关工作却鲜有报道。 

顺式二醇可以与硼酸结合形成硼酸酯，该反应广泛用于顺式二醇类物质如碳水化合物等的检测和分离。许多硼酸酯分子的翻转会引起手性构型的改变，但由于缺乏合适的方法，对该动态过程的直接观测从未被报道过。我们课题组原创开发了异质MspA纳米孔，并在孔道的90号位点处引入单个苯硼酸修饰实现了糖类、核苷酸和糖醇的检测，但这些工作都没有聚焦于手性硼酸酯分子的翻转。近日，我们课题组在此基础上开发了91号位点修饰苯硼酸的异质MspA纳米孔（MspA-91PBA），并实现了对手性硼酸酯分子翻转的动态观测（图1）。当顺式二醇分子与MspA-91PBA结合形成手性硼酸酯时，硼酸酯分子的翻转会引起构型变化，信号则会在两个电流水平切换；而当顺式二醇分子与MspA-91PBA结合形成非手性硼酸酯时，由于分子翻转不会引起构型变化，电流平台也维持在单一水平而没有切换现象。我们使用多种儿茶酚及其衍生物、多巴胺、腺苷、1,2-丙二醇、（2R,3R）-2，3-丁二醇与MspA-91PBA结合验证了该结论的普适性以及该方法的通用性。

图1：工程化MspA纳米孔监测分子翻转（图片来源自该作者）

我们还研究了pH对手性硼酸酯分子翻转的影响（图2）。在低pH下，手性硼酸酯分子翻转速率快，在高pH下，翻转速率慢。利用pH对分子翻转速率的调节，我们还实现了6种卤代邻苯二酚（3-氟邻苯二酚、3-氯邻苯二酚、3-溴邻苯二酚、4-氟邻苯二酚、4-氯邻苯二酚和4-溴邻苯二酚）的区分，证明了MspA的超高分辨率。虽然我们仅使用手性硼酸酯分子的翻转作为模型，通过对生物纳米孔的合理改造，该方法可以用于各种类型分子翻转的动态监测，并有助于相关小分子传感器的设计。

图2：pH对手性硼酸酯分子翻转的影响（图片来源自该作者） 

该工作以“Molecule-Interconversion between Chiral Configurations of Boronate Esters Observed in a Nanoreactor”为题，于2023年1月19日在《ACS Nano》发表相关论文（DOI：10.1021/acsnano.2c11286，文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c11286）。本课题组博士生杜筱谕和张善雨为该论文共同第一作者，黄硕教授为该论文通讯作者。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，科技部国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1304602）、国家自然科学基金（项目编号：22225405和31972917）、中央高校基本科研业务费资助项目（项目编号：020514380257）、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）、南京大学优秀科研项目（项目编号：ZYJH004）、上海市市级科技重大专项、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室（项目编号：5431ZZXM2204）、中国博士后科学基金资助项目（项目编号：2021M691508, 2022M721554和2022T150308）等经费支持。