一、研究背景

神经递质等小分子，对生命系统中的生物化学功能至关重要，包括细胞信号和肠脑交流。然而，神经递质释放的实时检测和分析仍然具有挑战性。紫外-可见光谱法和质谱法等常规检测方法，需要样品采集和离线分析，无法实时测量。快速扫描循环伏安法结合微透析，可提供具有纳摩尔灵敏度的神经递质释放的时间分辨测量，但随着时间的推移，由于电极污染，灵敏度会下降。尽管化学修饰电极和工程波形的最新进展提高了选择性，但这些方法仍然难以解决多个物质在重叠电势下的氧化问题。利用基因编码荧光指示剂的光纤光电子，尽管具有高特异性和分辨率，但受到光漂白和灵敏度限制的阻碍。

使用适体的场效应晶体管（FET）生物传感器已成为检测小的、可忽略的带电或中性分子的一种有前途的解决方案。适体，即与小分子结合后可发生构象变化的DNA干环结构，增强FET传感器的灵敏度和选择性。然而，这些器件中的读出需要连接器件栅极的密集探针分子的系综信号。该信号缺乏分子相互作用的动力学信息。此外，它很容易被盐溶液中固有的跨导漂移破坏，使其难以测量分析物浓度的时间变化。

二、研究成果

近日，哥伦比亚大学Kenneth L. Shepard报道了基于碳纳米管的单分子场效应晶体管（smFETs）的潜力，它能够检测单个分子上的电荷，可作为识别和分析小分子的新平台。smFETs是通过探针分子（DNA适体）与碳纳米管的共价连接而形成的。结合时的构象变化表现为纳米管电导的离散变化。通过监测结合适体构象变化的动力学，表明smFETs可以在单分子水平上检测和量化血清素，为适体-配体系统的动力学提供了独特的见解特别地，研究者展示了在血清素-适体复合体的构象变化中G-四链体的形成和天然发夹结构的破坏。smFETs是一种在单分子水平上以高时间分辨率分析分子相互作用的无标记方法，为复杂的生物过程提供了额外的见解。

相关研究工作以“Carbon-nanotube field-effect transistors for resolving single-molecule aptamer–ligand binding kinetics”为题发表在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。

三、图文速递

图1. 器件原理图和浓度相关电流轨迹

图2. 单分子动力学分析

图3. HMM分析的血清素结合和动力学

图4. HMM分析估计的结合态占用的剂量-反应曲线

图5. CNT FET上血清素-适体复合物的构象示意图

四、结论与展望

紧凑型核酸受体能够对德拜层内的单分子相互作用进行动态研究，表明了smFETs技术用于精细分子分析的潜力。仅检测而言，依赖G-四链体结构可能会使动力学途径变得不必要的复杂。适体中的非-G-四链体序列将来可以被设计，以产生具有增强信号转导的更直接检测。smFETs系统中受静电力影响的动力学提供了调节检测亲和性的机会，这种调节对各种目标分子的大动态浓度范围内单分子检测的优化至关重要。利用集成CMOS电子器件的高密度传感器阵列，有望用于低浓度和多路检测，以及用于脑区的空间分布分析物检测。后者与体内神经递质测定尤其相关，为神经活动和神经递质释放之间的相关性提供了见解，加深了对局部神经动力学的理解。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01591-0