小分子、核酸和蛋白质的快速传感对于药物发现、临床诊断和环境监测都非常重要^1，2，但分析物种类繁多，且理化性质各有不同，想要使用单一的检测手段实现大量不同分析物的传感仍然是一个挑战。针对这一难点，一种可能的解决方法是将分析物的信息转化为可由单一检测方法读取的不同条形码信息。尽管计算机的0/1二进制深入人心，但其实自然界中大多不是二进制，核酸是四进制编码，蛋白质是二十进制编码，非二进制的编码往往具有更高的编码效率。道法自然，开发一种简单、高效的编码技术显得非常迫切。

近日，我课题组报道了一种新型的非二进制核酸编码技术，可实现通用的纳米孔传感。编码探针由人工合成的核酸链自组装形成，通过生物纳米孔直接读取解码。为了生成条形码信号，每个编码探针都包含不同数量和种类的信息结。在纳米孔读取过程中，每个信息结都会发生解旋并产生相应的电流平台（图1），从而可以在避免纳米孔测序的情况下构建出多平台的条形码信号。从图2可以看出，信息结的组成元素是高度可变的，任何一种可用于核酸合成的单体都可以作为组成元素。实验中，作者一共成功构建了14种独特的信息结，每种信息结的纳米孔信号在电流幅值和噪音特征上都表现出明显的不同。随后，作者又展示了分别包含有2/3/4/5个信息结的编码探针信号（图3），每种编码信号都具有极强的可辨认性和极高的一致性。对于一个多级编码探针（包含多个信息结的编码探针）来说，它的每一个信息节都可以是这14种信息节中的一种，所以理论上n级编码探针的数量可以达到14ⁿ。与同样基于纳米孔读取的二进制编码工作相比³，该研究中作者构建的编码库具有更高的编码效率以及更好的扩展性和多样性。 

此外，作者使用核酸编码探针分别进行了蛋白质和miRNA的检测，通过两个简单的应用证实了该编码技术在应用中的可能性。针对不同分析物，可以使用不同的检测模式。在蛋白质检测中，他们以地高辛抗体和链霉亲和素为例来验证其可行性。通过在探针上修饰相应的抗原，当存在相应抗体时，抗体与探针末端的抗原结合后，由于体积太大，无法通过纳米孔，从而相应探针信号被沉默⁴。因此根据被沉默的信号种类，可以确定蛋白质的身份信息。在miRNA检测中，作者选择文献报道的与癌症相关的3种miRNA^5，6为检测对象，分别设计了三种二级探针对其进行检测。探针中有一段传感区域，可以与目标miRNA进行互补配对。它们结合后，会产生含3个电流平台的信号。第一个平台是miRNA和DNA的互补链产生的，后面两个平台是探针的编码区域产生的。根据后两个平台所包含的编码信息可以确定相应miRNA的身份。

图1. 纳米孔直接读取分子条形码机理图。

图2. 可区分的14种核酸编码探针库。

图3. 多级编码探针信号。

该研究首次提出非二进制编码的策略，设计了一套完全基于人工合成的寡核苷酸链自组装的分子条形码。经过纳米孔的读取，条形码的顺序解旋会产生阶梯状的阻塞图案。基于作者开发出的14种不同的信息结，理论上可以产生14ⁿ种可区分的条形码。通过引入识别序列或亲和标签，具有纳米孔直接解码功能的非二进制条形码系统能以同时快速检测多种靶标物质，比如小分子、核酸和蛋白质等。该非二进制条形码系统大大提高了编码效率，并且通过在信息结中引入更多的亲和标签有望实现更多分析物的特异性传感。  

该工作发表在Angewandte ChemieInternational Edition期刊。其中，我课题组博士生阎双红和硕士生王栎荧为论文的共同第一作者，黄硕教授为论文的通讯作者。 

该论文全部作者为：Shuanghong Yan, Liying Wang, Yuqin Wang, Zhenyuan Cao, Shanyu Zhang, Xiaoyu Du, Pingping Fan, Panke Zhang, Hong-Yuan Chen, Shuo Huang

文章题目：Non-binary Encoded Nucleic Acid Barcodes Directly Readable by a Nanopore

点击此处，直达文章链接：Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: org/10.1002/anie.202116482

参考文献：

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3. U. F. Keyser, Nature Nanotechnology, 2016, 11, 106-108.

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6. M. Khordadmehr, F. Jigari-Asl, H. Ezzati, R. Shahbazi, S. Sadreddini, S. Safaei, B. Baradaran, J. Cell. Physiol. 2019, 234, 21716-21731.