用光控制生物分子過(guò)程是生物學(xué)中廣泛使用的一種強(qiáng)大的原理，因?yàn)楣庠试S以非侵入性和無(wú)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(guò)程的一個(gè)典型例子是物質(zhì)跨生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)，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(lái)感測(cè)光并觸發(fā)通道的開(kāi)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(jì)靈活性和更廣泛的功能范圍。其中，DNA因其堿基配對(duì)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(bào)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(kāi)。但由于DNA本身不是光可調(diào)的，化學(xué)發(fā)色團(tuán)的共價(jià)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(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Stefan Howorka教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一種以DNA和偶氮苯發(fā)色團(tuán)合成的光控納米孔（LP），其可以通過(guò)一個(gè)可逆的“蓋子”來(lái)調(diào)控物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。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(jì)如圖1所示，是一個(gè)帶有光控蓋子的桶形納米孔。納米孔由6條DNA鏈（藍(lán)色）組成，并組裝成6個(gè)雙螺旋，通過(guò)發(fā)夾相互連接并以六角形方式排列，其空腔直徑為2 nm。孔的兩個(gè)雙鏈體具有細(xì)長(zhǎng)的不成對(duì)序列瓣，稱為“鉸鏈”，編號(hào)為1和2。LP的蓋鏈（紅色）由光敏偶氮苯修飾，其可以通過(guò)光控實(shí)現(xiàn)可逆的順?lè)串悩?gòu)化（圖1A）。在閉合狀態(tài)下，蓋鏈與兩個(gè)鉸鏈結(jié)合，從而阻塞分子轉(zhuǎn)運(yùn)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(kāi)放的通道（圖1B，右）。

圖1 光控納米孔（LP）的設(shè)計(jì)及功能原理

接下來(lái)，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(shí)了納米孔的成功組裝（圖2A-2B）。為了實(shí)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(guò)小單層膜囊泡（SUV）由PAGE進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，帶有兩個(gè)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(shuō)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(guò)共聚焦熒光顯微鏡進(jìn)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(kāi)關(guān)及分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(kāi)狀態(tài)下的小分子轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)

最后，為了探究光控開(kāi)口時(shí)納米孔的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)變化，研究人員進(jìn)行了單通道電流記錄。首先確認(rèn)了無(wú)蓋LP的開(kāi)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(kāi)的能力（圖4C）。

圖4 單通道電流記錄實(shí)驗(yàn)

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(gè)能控制分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(hào)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(yùn)。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩