生物纳米孔道单分子多肽磷酸化识别与测量的创新综合实验

doi:10.3866/PKU.DXHX202111089

摘要/Abstract

摘要：

生物纳米孔道技术是一种具有革命性意义的单分子电化学分析方法，经过近三十年的发展，已经能够实现单分子DNA测序并广泛应用于多肽、蛋白质等单个生物分子的检测研究。本文探讨了将纳米孔道单分子测量方法引入大学实验教学的必要性与重要性，介绍了生物纳米孔道单分子实验的教学意义、目的、内容及其组织实施方式。本实验采用“科教融合”的教学模式，针对具有一定化学、生物化学基础知识并对科研感兴趣的二、三年级本科生，精心设计并不断优化教学方案，将纳米孔道单分子电化学及相关交叉领域的最新研究成果融入课堂教学，拓展学生的科研视野、激发学生的科研兴趣。此外，通过教师引导，鼓励学生大胆提出问题，自主探索，合作完成实验内容，培养学生的学术思维和综合创新能力。

关键词: 生物纳米孔道, 单分子检测, 多肽磷酸化, 科教融合, 化学综合实验

Abstract:

The biological nanopore technique is a revolutionary single-molecule electrochemical method. The single-molecule sequencing of DNA was accomplished following rapid developments over the last three decades, and has been extensively applied in the single-molecule sensing of biomolecules, including peptides and proteins. This paper discusses the importance of introducing nanopore-based single-molecule experiments into university classrooms and expounds on the specific content and implementation model for teaching. This innovative experimental course adopts the teaching mode of "integration of science and education" for second- and third-year undergraduates with some background in chemistry and biochemistry. The teaching plan has been carefully designed and is continuously being optimized according to teaching practices. We integrated the latest achievements in nanopore electrochemistry and related interdisciplinary fields into classroom teaching to expand students' horizons and stimulate their interests in scientific research. In addition, students were encouraged to collaborate on experimental assignments and brainstorm, which could help cultivate their academic thinking capability and comprehensive innovation ability.

Key words: Biological nanopore, Single-molecule measurement, Peptide phosphorylation, Integration of science and education, Comprehensive chemistry experiment

MSC2000:

胡正利, 辛凯莉, 刘少创, 钟诚兵, 武雪原, 应佚伦, 孔璇凤, 余晓冬, 张剑荣, 龙亿涛. 生物纳米孔道单分子多肽磷酸化识别与测量的创新综合实验[J]. 大学化学, 2022, 37(7): 2111089.

Zhengli Hu, Kaili Xin, Shaochuang Liu, Chengbing Zhong, Xueyuan Wu, Yi-Lun Ying, Xuanfeng Kong, Xiaodong Yu, Jianrong Zhang, Yi-Tao Long. A Comprehensive Single-molecule Experiment of Peptide Phosphorylation Detection with Biological Nanopores[J]. University Chemistry, 2022, 37(7): 2111089.

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图1

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图8

参考文献 47

1	张树永; 张亚先; 张剑荣. 大学化学, 2018, 33 (10), 1.
2	李育佳; 贾叙东; 陈露洪; 朱成建. 大学化学, 2019, 34 (10), 14.
3	Fang W. N. ; Jia S. S. ; Chao J. ; Wang L. Q. ; Duan X. Y. ; Li H. J. ; Li Q. ; Zuo X. L. ; Wang L. H. ; Wang L. H. ; et al Sci. Adv. 2019, 5, eaau4506. doi: 10.1126/sciadv.aau4506
4	Wen J. ; Hong L. ; Krainer G. ; Yao Q. Q. ; Knowles T. P. J. ; Wu S. ; Perrett S. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13056. doi: 10.1021/jacs.1c03078
5	Sun K. ; Ju Y. ; Chen C. ; Zhang P. ; Sawyer E. ; Luo Y. ; Geng J. Small Methods 2020, 4, 1900892. doi: 10.1002/smtd.201900892
6	Guo B. ; Sheng Y. ; Zhou K. ; Liu Q. ; Liu L. ; Wu H. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3602. doi: 10.1002/anie.201711690
7	Chen H. ; Song G. ; Zhang Y. ; Ni D. ; Zhang X. ; Huang Y. ; Lou J. Sci. China Life Sci. 2021, 64, 334. doi: 10.1007/s11427-019-1758-4
8	Cressiot B. ; Bacri L. ; Pelta J. Small Methods 2020, 4, 2000090. doi: 10.1002/smtd.202000090
9	Deamer D. ; Akeson M. ; Branton D. Nat. Biotechnol. 2016, 34, 518. doi: 10.1038/nbt.3423
10	Kasianowicz J. ; Brandin E. ; Branton D. ; Deamer D. Proc. Natl. Acad. Sci. 1996, 93, 13770. doi: 10.1073/pnas.93.24.13770
11	Zhang J. ; Hou L. ; Zuo Z. ; Ji P. ; Zhang X. ; Xue Y. ; Zhao F. Nat. Biotechnol. 2021, 39, 836. doi: 10.1038/s41587-021-00842-6
12	Riedl J. ; Ding Y. ; Fleming A. M. ; Burrows C. J. Nat. Commun. 2015, 6, 8807. doi: 10.1038/ncomms9807
13	Tan C. S. ; Fleming A. M. ; Ren H. ; Burrows C. J. ; White H. S. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 14224. doi: 10.1021/jacs.8b08153
14	Long Y. T. ; Zhang M. N. Sci. China Ser. B-Chem. 2009, 52, 731. doi: 10.1007/s11426-009-0078-z
15	Chen Z. ; Wang Z. ; Xu Y. ; Zhang X. ; Tian B. ; Bai J. Chem. Sci. 2021, 12, 15750. doi: 10.1039/D1SC04342K
16	Brinkerhoff H. ; Kang A. S. W. ; Liu J. ; Aksimentiev A. ; Dekker C. Science 2021, 374, 1509. doi: 10.1126/science.abl4381
17	Yan S. ; Zhang J. ; Wang Y. ; Guo W. ; Zhang S. ; Liu Y. ; Cao J. ; Wang Y. ; Wang L. ; Ma F. ; et al Nano Lett. 2021, 21, 6703. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02371
18	Liu S. C. ; Ying Y. L. ; Li W. H. ; Wan Y. J. ; Long Y. T. Chem. Sci. 2021, 12, 3282. doi: 10.1039/D0SC06106A
19	Lucas F. L. R. ; Versloot R. C. A. ; Yakovlieva L. ; Walvoort M. T. C. ; Maglia G. Nat. Commun. 2021, 12, 5795. doi: 10.1038/s41467-021-26046-9
20	Schmid S. ; Stömmer P. ; Dietz H. ; Dekker C. Nat. Nanotechnol. 2021, 16, 1244. doi: 10.1038/s41565-021-00958-5
21	Qing Y. ; Ionescu S. A. ; Pulcu G. S. ; Bayley H. Science 2018, 361, 908. doi: 10.1126/science.aat3872
22	Qing Y. ; Bayley H. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18181. doi: 10.1021/jacs.1c07497
23	Jia W. ; Hu C. ; Wang Y. ; Gu Y. ; Qian G. ; Du X. ; Wang L. ; Liu Y. ; Cao J. ; Zhang S. ; et al Nat. Commun. 2021, 12, 5811. doi: 10.1038/s41467-021-26054-9
24	Zhou B. ; Wang Y. ; Cao C. ; Li D. ; Long Y. Sci. China Chem. 2018, 61, 1385.
25	Gu Z. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Sci. China Chem. 2018, 61, 1483. doi: 10.1007/s11426-018-9312-3
26	Gu Z. ; Wang H. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Sci. Bull. 2017, 62, 1245. doi: 10.1016/j.scib.2017.09.005
27	Sui X. J. ; Li M. Y. ; Ying Y. L. ; Yan B. Y. ; Wang H. F. ; Zhou J. L. ; Gu Z. ; Long Y. T. J. Anal. Test. 2019, 3, 134. doi: 10.1007/s41664-019-00088-x
28	杨铖宇; 顾震; 胡正利; 应佚伦; 龙亿涛. 电化学, 2019, 25 (3), 312.
29	Hu Z. L. ; Ying Y. L. ; Huo M. Z. ; Kong X. F. ; Yu X. D. ; Zhang J. R. ; Long Y. T. J. Chem. Educ. 2020, 97, 4345. doi: 10.1021/acs.jchemed.0c00389
30	Li M. Y. ; Ying Y. L. ; Yu J. ; Liu S. C. ; Wang Y. Q. ; Li S. ; Long Y. T. JACS Au 2021, 1, 967. doi: 10.1021/jacsau.1c00109
31	Huo M. Z. ; Hu Z. L. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Proteomics 2021, e2100041.
32	Li S. ; Wu X. Y. ; Li M. Y. ; Liu S. C. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Small Methods 2020, 4, 2000014. doi: 10.1002/smtd.202000014
33	Wu X. Y. ; Wang M. B. ; Wang Y. Q. ; Li M. Y. ; Ying Y. Q. ; Huang J. ; Long Y. T. CCS Chem. 2019, 1, 304.
34	李孟寅; 应佚伦; 龙亿涛. 化学学报, 2019, 77 (10), 984.
35	武雪原; 应佚伦; 龙亿涛. 高等学校化学学报, 2019, 40 (9), 1825.
36	Hu Z. L. ; Huo M. Z. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 14862. doi: 10.1002/ange.202013462
37	Restrepo-Pérez L. ; Joo C. ; Dekker C. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 786. doi: 10.1038/s41565-018-0236-6
38	Cao C. ; Liao D. F. ; Yu J. ; Tian H. ; Long Y. T. Nat. Protoc. 2017, 12, 1901. doi: 10.1038/nprot.2017.077
39	曹婵; 廖冬芳; 应佚伦; 龙亿涛. 化学学报, 2016, 74 (9), 734.
40	Boukhet M. ; Piguet F. ; Ouldali H. ; Pastoriza-Gallego M. ; Pelta J. ; Oukhaled A. Nanoscale 2016, 8, 18352. doi: 10.1039/C6NR06936C
41	杨洁; 李爽; 武雪原; 龙亿涛. 分析化学, 2017, 45 (12), 1766. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.171201
42	Wang H. Y. ; Ying Y. L. ; Li Y. ; Kraatz H. B. ; Long Y. T. Anal. Chem. 2011, 83, 1746. doi: 10.1021/ac1029874
43	应佚伦; 张星; 刘钰; 薛梦竹; 李洪林; 龙亿涛. 化学学报, 2013, 71 (1), 44.
44	胡正利; 杜冀晖; 应佚伦; 彭岳一; 曹婵; 龙亿涛. 化学学报, 2017, 75 (11), 1087.
45	Yang C. ; Liu L. ; Zeng T. ; Yang D. W. ; Yao Z. Y. ; Zhao Y. L. ; Wu H. C. Anal. Chem. 2013, 85, 7302. doi: 10.1021/ac401198d
46	牛红艳; 胡正利; 应佚伦; 龙亿涛. 化学学报, 2019, 77 (10), 989.
47	Niu H. Y. ; Li M. Y. ; Ying Y. L. ; Long Y. T. Chem. Sci. 2022, 13, 2456. doi: 10.1039/D1SC06459B

[1]	吴秋华, 赵影, 王俊敏, 常青云, 李芝, 董彦莉, 唐然肖, 王春. 新农科背景下“无机及分析化学”创新教学与实践[J]. 大学化学, 2022, 37(8): 2112092-.
[2]	沈颖林, 李晓敏, 李天赐. 阴离子交换树脂的合成及对碱性溶液中U的吸附性能研究——一个放射化学综合实验的设计[J]. 大学化学, 2022, 37(7): 2201016-.
[3]	袁艺, 李宁, 委育秀, 陈晨, 黄建国, 林旭锋, 李啸风, 王从敏, 王勇, 王鹏. 夯实化学基础，打造创新人才——“无机和分析化学实验”课程的建设与探索[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2108019-.
[4]	青雯玥, 陈起游, 贾阿龙, 李珊珊, 赵明, 郭彩红. Ce_0.75Zr_0.25O₂的制备及其催化净化汽车尾气[J]. 大学化学, 2022, 37(5): 2111081-.
[5]	何佶蔓, 白巧巧, 胡锦霞, 徐雨涵, 段奕奕, 边红涛. 利用红外振动光谱研究甲醇-乙酸甲酯共沸体系的微观结构[J]. 大学化学, 2022, 37(3): 2105042-.
[6]	吴雪岩, 吕燕, 郭继玺. 9-(4-溴丁基)-9H-咔唑的相转移催化合成、表征及室温磷光性能研究——推荐一个大学化学综合实验[J]. 大学化学, 2022, 37(1): 2103055-.
[7]	宋肖锴, 罗世鹏, 张慧, 刘维桥, 徐庆, 史壮志. 基础有机化学教学与前沿科学研究的融合——共价有机骨架材料的成键方式[J]. 大学化学, 2022, 37(1): 2105001-.
[8]	张卓旻, 余忠宁, 陈颖诗, 代寒冰, 李攻科. 以"量"为核心，多元科教融合培养创新型分析化学人才的实践[J]. 大学化学, 2021, 36(9): 2106020-.
[9]	李彦琴, 张洁, 王卫, 杨金凤, 于锋. “双一流”建设背景下科教融合实验教学探索——以TiO₂光催化降解染料废水实验为例[J]. 大学化学, 2021, 36(6): 2008044-.
[10]	黎朝, 温庭斌, 吴伟泰, 张延东, 曹晓宇, 朱亚先, 吕鑫. 科教融合建设一流本科专业——厦门大学创建国家级一流化学专业的探索与实践[J]. 大学化学, 2021, 36(5): 2010002-.
[11]	张凌, 康静. 一种超分子弹性体的制备及其自修复性能的研究——大学化学综合实验设计[J]. 大学化学, 2021, 36(12): 2103025-.
[12]	陈媛梅. 科教融合，分类施教——农林院校分析化学实验课程的改革与实践[J]. 大学化学, 2021, 36(11): 2106049-.
[13]	何田, 尹守春, 李博. SAB-16型介孔材料的制备、表征及表面改性——介绍一个材料化学综合实验[J]. 大学化学, 2020, 35(9): 126-131.
[14]	李玲玲, 兰泉, 查正根, 蒋俊, 冯红艳, 郑媛. 有机化学实验线上课程之扬长避短教学设计与实践篇[J]. 大学化学, 2020, 35(5): 263-268.
[15]	张霞, 桑晓光. 纳米材料制备技术在化学综合实验课程中的应用[J]. 大学化学, 2011, 26(2): 34-37.