合成光控納米孔，用于調(diào)控分子跨生物膜轉(zhuǎn)運過程

用光控制生物分子過程是生物學(xué)中廣泛使用的一種強大的原理，因為光允許以非侵入性和無毒性的方式精確和選擇性地激活生物分子。光控生物分子過程的一個典型例子是物質(zhì)跨生物膜轉(zhuǎn)運，這通常是由嵌入脂質(zhì)雙層的納米孔介導(dǎo)，并使用色域來感測光并觸發(fā)通道的開啟或關(guān)閉。半合成或全合成的光控納米孔可以提供更多的設(shè)計靈活性和更廣泛的功能范圍。其中，DNA因其堿基配對的精準(zhǔn)自組裝性，以DNA為材料制成的合成膜通道已被多次報道，其可以響應(yīng)諸如寡核苷酸、蛋白質(zhì)和溫度等效應(yīng)物而打開。但由于DNA本身不是光可調(diào)的，化學(xué)發(fā)色團的共價偶聯(lián)可以為光控DNA納米孔提供所需的功能結(jié)構(gòu)。

近期，英國倫敦大學(xué)學(xué)院的Stefan Howorka教授團隊開創(chuàng)了一種以DNA和偶氮苯發(fā)色團合成的光控納米孔（LP），其可以通過一個可逆的“蓋子”來調(diào)控物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運。該工作以“A Light-Triggered Synthetic Nanopore forControlling Molecular Transport Across Biological Membranes”為題，發(fā)表在Angew期刊上。

LP的設(shè)計如圖1所示，是一個帶有光控蓋子的桶形納米孔。納米孔由6條DNA鏈（藍色）組成，并組裝成6個雙螺旋，通過發(fā)夾相互連接并以六角形方式排列，其空腔直徑為2 nm?？椎膬蓚€雙鏈體具有細(xì)長的不成對序列瓣，稱為“鉸鏈”，編號為1和2。LP的蓋鏈（紅色）由光敏偶氮苯修飾，其可以通過光控實現(xiàn)可逆的順反異構(gòu)化（圖1A）。在閉合狀態(tài)下，蓋鏈與兩個鉸鏈結(jié)合，從而阻塞分子轉(zhuǎn)運的通道入口（圖1B，左）。而偶氮苯的順式構(gòu)象選擇性破化了蓋子與鉸鏈1之間的DNA雙鏈，形成開放的通道（圖1B，右）。

圖1 光控納米孔（LP）的設(shè)計及功能原理

接下來，研究人員用瓊脂糖凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）證實了納米孔的成功組裝（圖2A-2B）。為了實現(xiàn)光控納米孔的膜結(jié)合，研究人員用膽固醇標(biāo)簽（橙色）修飾了四條孔鏈，并通過小單層膜囊泡（SUV）由PAGE進行評估。結(jié)果表明，帶有兩個膽固醇標(biāo)簽的孔（LP-2CΔA）相較于不帶標(biāo)簽的孔（LP-0CΔA），其電泳凝膠帶上移，表明孔與SUV成功結(jié)合（圖2C、2i），而凝膠條帶的定量分析也說明了即使增加SUV濃度，陰性的LP-0CΔA與SUV的結(jié)合率仍較小，符合預(yù)期（圖2C（ii））。此外，研究人員還通過共聚焦熒光顯微鏡進一步研究了膽固醇標(biāo)記的納米孔與囊泡的結(jié)合（圖2D）。

圖2 光控納米孔（LP）變體的組裝和膜結(jié)合

然后，研究人員探究了孔道的光控開關(guān)及分子跨膜轉(zhuǎn)運的相關(guān)激活。研究人員用UV/Vis吸收光譜證明了光誘導(dǎo)孔蓋從反式偶氮苯轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖疆悩?gòu)體（圖3A-3B），并分析了LP打開狀態(tài)下的小分子轉(zhuǎn)運動力學(xué)（圖3C-3D）。

圖3 小分子物質(zhì)在光控納米孔（LP）中的轉(zhuǎn)運

最后，為了探究光控開口時納米孔的結(jié)構(gòu)動力學(xué)變化，研究人員進行了單通道電流記錄。首先確認(rèn)了無蓋LP的開孔電流及其相關(guān)特征（圖4A）。相比之下，封閉蓋子的單孔電流小得多，證明了蓋子阻擋通道入口的能力（圖4B）。而光照射下LP呈現(xiàn)出的特征證明了光觸發(fā)LP打開的能力（圖4C）。

圖4 單通道電流記錄實驗

綜上所述，研究人員將DNA納米技術(shù)與光化學(xué)協(xié)同結(jié)合，描述了第一個能控制分子跨膜轉(zhuǎn)運的合成光控納米孔。合成光控納米孔在研究受控藥物釋放、生物傳感以及在細(xì)胞樣容器中構(gòu)建光觸發(fā)人工信號網(wǎng)絡(luò)方面有著廣泛的應(yīng)用。此外，光控孔可用于研究核酸的轉(zhuǎn)運。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202210886

審核編輯 ：李倩