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聚糖是一类基础生物大分子，其生物学功能由精细结构特征编码，这给分析分辨带来了显著挑战。研究人员通过全原子分子动力学模拟证明，带负电的石墨纳米孔可实现高精度单分子聚糖检测，能够可靠区分N-乙酰化数目、N-乙酰化模式及区域异构结构存在差异的聚糖。从机制上看，不同的
聚糖是一类基础生物大分子，其生物学功能由精细结构特征编码，这给分析分辨带来了显著挑战。研究人员通过全原子分子动力学模拟证明，带负电的石墨纳米孔可实现高精度单分子聚糖检测，能够可靠区分N-乙酰化数目、N-乙酰化模式及区域异构结构存在差异的聚糖。从机制上看，不同的离子电流特征可追溯至纳米孔内受限单个聚糖周围物种特异性的空间电荷积累。此外，在跨膜电压作用下，带负电的纳米孔会产生电渗流，驱动聚糖易位，为聚糖检测提供了一种无需化学标记的策略。
该研究针对聚糖结构解析这一糖生物学领域的核心难点展开。聚糖与蛋白质、核酸并列为基础生物大分子，其糖基部分的立体化学多样性、糖苷键类型及链长直接决定分子识别、细胞黏附等生物学功能，精准结构解析对疾病诊断与药物开发至关重要。然而与带均匀负电的核酸、电荷分布多样的蛋白质不同，聚糖整体呈电中性且结构复杂度极高，传统分析手段面临巨大瓶颈。现有生物纳米孔技术虽在单分子检测中取得突破，但在中性聚糖易位驱动、复杂异构体分辨等方面仍存在局限，而固态纳米孔在该领域的探索尚处于起步阶段。研究人员受气溶素生物纳米孔的带电窄孔道结构启发，提出采用石墨纳米孔实现无标记单分子聚糖分辨，相关成果发表于《Nanoscale》。
为开展研究，研究人员采用的核心技术方法包括：基于VMD的Carbon Nanostructure Builder插件构建21层垂直堆叠石墨烯组成的石墨膜，刻蚀直径1.4 nm圆柱形纳米孔；采用广义阿默尔力场(GAFF)参数化石墨材料，为碳原子赋予-0.001e部分电荷构建带负电孔道；使用GROMACS 2024.4开展全原子分子动力学模拟，采用GLYCAM06力场构建聚N-乙酰乳糖胺四糖、五糖、六糖模型；通过在孔入口质心与第一单糖残基C1羟基氧原子间引入伞形约束，实现聚糖在孔内的稳定驻留以充分采样离子电流阻滞信号；在-1.0 V跨膜电压下开展15次独立50 ns模拟，累积750 ns轨迹用于电流与电荷密度分析。
研究结果如下：
3.1 水通量驱动的聚糖易位
研究人员首先评估不同跨膜电压下带负电石墨纳米孔的电渗流(EOF)调控规律。在1 M KCl溶液中，带负电纳米孔仅表现出阳离子传导特性，-1.0 V跨膜电压下无氯离子穿孔，钾离子通量诱导同方向的巨大水通量，且累积水通量随电压降低从-1.0 V到-0.25 V逐步减小，证明可通过调节跨膜电压精确控制电渗流强度。进一步将四糖(Tetra 1)置于孔入口，在所有测试电压下均观察到易位事件，易位速度随电压升高加快，-1.0 V下典型驻留时间约8 ns，-0.25 V下超过50 ns，中性纳米孔中则无易位发生，证实电渗流是驱动中性聚糖穿孔的核心动力。
3.2 聚糖分辨
研究人员通过伞形约束将聚糖稳定在孔道中段，实现对三类结构差异的分辨：
3.2.1 不同N-乙酰化程度
对比Tetra 1（含两个N-乙酰葡糖胺残基）与Tetra 2（第三个残基替换为葡萄糖），二者平均阻滞电流存在显著差异，电荷密度分析显示Tetra 2因缺失N-乙酰基，葡萄糖残基周围离子流通更顺畅，局部电荷密度更高，证明该体系可区分N-乙酰化修饰程度差异。
3.2.2 不同N-乙酰化模式
针对分子质量完全相同的结构异构体Tetra 2与Tetra 3（N-乙酰葡糖胺与葡萄糖残基位置互换），二者阻滞电流差异显著，源于分子形状差异导致的孔道内电荷密度分布镜像变化，突破了质谱无法区分同量异构体的局限。
3.2.3 不同糖苷键连接
对比Tetra 1（β1,3糖苷键）与Tetra 4（β1,4糖苷键），二者平均阻滞电流无显著差异，但pA级分辨率下可捕捉到细微差异，对应糖苷键决定的聚糖构象差异带来的孔道内电荷积累模式不同。
3.2.4 不同聚合度
将糖链从四糖延伸至六糖，平均阻滞电流随链长增加线性下降，证明该体系可实现糖链长度区分，同时指出更大孔径的石墨纳米孔有望拓展至多分支聚糖检测。
讨论与结论部分指出，该研究首次通过计算模拟证明带负电石墨纳米孔可实现单分子聚糖分辨，电渗流解决了中性聚糖易位难题，pA级电流分辨率可区分N-乙酰化修饰、同量异构体与糖苷键差异。与生物纳米孔相比，石墨纳米孔材料稳定性更高、更易功能化，可通过调节跨膜电场与材料带电的耦合优化易位动力学，无需复杂的孔工程改造。该研究为固态纳米孔聚糖测序提供了分子层面的原理验证，后续需进一步探索分析物混合物检测、分子捕获效率与易位动力学，并结合实验研究推进实际应用。
