氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质，同时也是许多药物分子的重要组成片段，在生命体中起着至关重要的作用，比如有氨基酸组成的蛋白酶具有高度专一的催化活性。因此，氨基酸的高灵敏检测与精准分析不仅仅可以加深对氨基酸在生命体内发挥作用机制的理解，同时在食品工业、天然产物和医药等领域都发挥着重要的作用。然而，氨基酸种类繁多，结构相似，且具有手性对映体，比如人体内的氨基酸都是L型。传统方法对氨基酸结构鉴定和手性识别存在着巨大挑战。最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组、中国科学技术大学杨金龙课题组以及东京大学Jun Terao课题组合作发展了一种独特的基于单分子器件平台的单分子电学检测关键技术，实现了在单分子水平上对于单个氨基酸分子的结构、手性以及带电形态的精准检测。


图1.单分子器件的结构示意图
郭雪峰课题组和合作者设计合成了一种以全甲基化β-环糊精为功能中心的共轭分子，并在末端修饰上氨基，通过酰胺键将其连接在带有羰基官能团的石墨烯点电极之间，构建了稳定的单分子器件。基于此类器件，通过高分辨的电学信号记录，实现了在单个事件水平上对氨基酸与环糊精分子的主客体动力学的原位实时检测，从而实现了对四种代表性氨基酸（丙氨酸、色氨酸、丝氨酸和酪氨酸）种类和存在形态的检测。氨基酸与环糊精的主客体结合过程是二级反应，而解离反应是一级反应。氨基酸在水溶液中存在内盐、共轭酸和共轭碱三种形态。这三种形态均可以与环糊精发生主客体识别，细致的动力学态间分析及理论计算可对复杂导电态进行辨认。基于氨基酸分子的解离弛豫时间及其对分子桥导电变化率两种参数，绘制了氨基酸手性识别的“指纹图谱”，实现氨基酸结构、种类和对映体的快速精准鉴定。
基于主客体作用的免标记的超高时空分辨率的单分子电学检测平台可用于对复杂环境中其它生物分子进行直接精准测量，为解决生命科学中的复杂问题如单分子蛋白质测序等提供了一种新的机遇。该工作于3月3日以“A single-molecule electrical approach for amino acid detection and chirality recognition”为题在线发表在Science Advances杂志上（Sci. Adv.2021,7,abe4365）。
该论文的共同第一作者分别是郭雪峰课题组的刘子豪、杨金龙课题组的李星星和Jun Terao课题组的Hiroshi Masai。郭雪峰教授、杨金龙教授和Jun Terao教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。