关键词：左旋多巴、多巴胺、苯丙氨酸羟化酶（PAH）、酪氨酸羟化酶（TH）、芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）
Nanopore-enabled time-resolved monitoring of catecholamine-related phenylalanine metabolism
Nat. Nanotech. 01 September 2026
https://www.nature.com/articles/s41565-026-02273-3
一、研究背景
儿茶酚胺类神经递质介导中枢与外周神经系统的信号转导过程，在情绪调控、应激响应、内分泌稳态维持等生理功能中发挥关键作用。儿茶酚胺的生物合成以苯丙氨酸为起始底物，经多步连续酶促反应依次转化为酪氨酸、左旋多巴、多巴胺、去甲肾上腺素，最终生成肾上腺素；该级联代谢通路的稳态失衡与帕金森病、嗜铬细胞瘤、神经内分泌功能紊乱等多种疾病的发生发展密切相关。传统检测技术（包括色谱法、质谱法、荧光标记法等）多为终点检测模式，难以捕捉代谢中间体的瞬时浓度动态，无法实现级联酶促反应时序演变过程的动态追踪，严重限制了学界对儿茶酚胺代谢调控机制的深入解析。
纳米孔单分子传感技术因具备无标记检测、高时空分辨率、单分子水平识别等独特优势，为生物分子的实时检测提供了全新技术路径。当待测分子进入纳米孔内腔时，会引发特征性的离子电流阻断信号，基于电流信号的特征差异可实现不同底物的区分。本研究构建了MspA-90PBA纳米孔检测平台，在单个纳米孔体系中引入肽探针与CB7两类正交识别单元，实现了通路中多种代谢物的特异性识别。
本研究通过体外重构完整的儿茶酚胺生物合成通路，结合纳米孔传感技术实现了代谢全过程的时间分辨监测，可为解析神经递质代谢调控机制、筛选代谢通路干扰物提供全新工具。
二、实验部分
1、纳米孔传感体系构建
本研究选用MspA突变纳米孔（MspA-90PBA）作为单分子传感元件，在纳米孔体系中引入肽探针与葫芦[7]脲（CB7）两种识别模块，构建了双正交分子识别体系。其中肽探针可与目标代谢物发生特异性配位结合，CB7则通过主客体识别作用进一步区分结构相似的代谢中间体；不同分子结合后可产生特征性离子电流信号，由此实现多种代谢物的并行识别。
2、体外儿茶酚胺代谢通路重构
选取通路中系列关键代谢酶：苯丙氨酸羟化酶（PAH）、酪氨酸羟化酶（TH）、芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）、多巴胺β羟化酶（DBH）、苯乙醇胺N-甲基转移酶（PNMT），搭配相应的辅酶与缓冲体系，在体外重构了由L-苯丙氨酸起始，逐级生成L-酪氨酸、L-多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素的完整级联生物合成通路。
3、时间分辨单分子监测与扰动实验
向纳米孔传感芯片中加入重构后的代谢体系，施加恒定电压后实时采集离子电流信号，记录各代谢中间体浓度随时间的动态变化。在体系中加入6-甲基异硫氰酸酯，探究该小分子对儿茶酚胺生物合成通路的扰动效应；同时构建DEHAL1缺陷模型，解析该酶缺失对儿茶酚胺合成过程的影响机制。
三、结果与讨论
本研究构建的双识别模式MspA纳米孔可基于离子电流阻断幅度、阻断时长等信号特征，区分苯丙氨酸、酪氨酸、左旋多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素等结构高度相似的代谢物，实现多种代谢物的无标记并行识别。纳米孔实时监测结果可直观呈现底物逐级消耗、中间产物时序累积、终产物逐步生成的动态过程，能够在单分子层面捕获级联酶促反应的动力学信息。
扰动实验结果表明，6-甲基异硫氰酸酯可显著抑制儿茶酚胺的生物合成过程，阻断代谢通路的信号转导。DEHAL1酶缺陷会干扰通路上游的底物转化效率，降低下游儿茶酚胺产物的生成量，该结果揭示了DEHAL1与神经递质代谢之间的内在关联。与传统离线检测方法相比，纳米孔传感无需对目标分子进行荧光或同位素标记，即可连续追踪生化反应的动态过程，捕捉瞬时存在的代谢中间体。该体系目前仍存在一定局限性，仅完成了体外重构通路的检测，后续仍需进一步优化体系稳定性，逐步向细胞内、活体原位监测方向拓展。
四、结论
本研究将体外重构的儿茶酚胺生物合成通路与纳米孔单分子传感技术相结合，利用单个纳米孔内的两种正交识别模式，实现了从苯丙氨酸到肾上腺素整条代谢通路中所有中间产物与终产物的时间分辨监测，在单分子分辨率下观测了代谢通路的动态变化，揭示了小分子抑制剂与关键酶缺陷对儿茶酚胺合成过程的调控作用。该集成平台建立了一套研究复杂级联生化通路的通用策略，可为神经递质代谢机制研究、神经系统疾病代谢标志物筛选提供新的技术支撑。
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