Molecular Insights into Distinct Detection Properties of α-Hemolysin, MspA, CsgG, and Aerolysin Nanopore Sensors

溶氧素 纳米孔 溶血素 分子动力学 离子键合 化学 生物物理学 纳米技术 材料科学 生物 生物化学 计算化学 离子 基因 毒力 有机化学
作者
Wanqi Zhou,Hu Qiu,Yufeng Guo,Wanlin Guo
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:124 (9): 1611-1618 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.9b10702
摘要

Protein nanopores have been widely used as single-molecule sensors for the detection and characterization of biological polymers such as DNA, RNA, and polypeptides. A variety of protein nanopores with various geometries have been exploited for this purpose, which usually exhibit distinct sensing capabilities, but the underlying molecular mechanism remains elusive. Here, we systematically characterize the molecular transport properties of four widely studied protein nanopores, α-hemolysin, MspA, CsgG, and aerolysin, by extensive molecular dynamics simulations. It is found that a sudden drop in electrostatic potentials occurs at the sole constriction in MspA and CsgG nanopores in contrast to the gradual potential change inside α-hemolysin and aerolysin pores, indicating the crucial role of pore geometry in ionic and molecular transport. We further demonstrate that these protein nanopores exhibit open-pore currents and ssDNA-induced current blockades both in the order MspA > α-hemolysin > CsgG > aerolysin, but an equivalent blockade percentage around 80%. In addition, the substitution of key amino acids at the pore constriction, especially by charged ones, provides an efficient way to modulate the pore electrostatic potential and ionic current. This work sheds new light on the search for high-performance nanopores, engineering of protein nanopores, and design of bioinspired solid-state nanopores.
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