合成光控纳米孔，用于调控分子跨生物膜转运过程
用光控制生物分子过程是生物学中广泛使用的一种强大的原理，因为光允许以非侵入性和无毒性的方式精确和选择性地激活生物分子。光控生物分子过程的一个典型例子是物质跨生物膜转运，这通常是由嵌入脂质双层的纳米孔介导，并使用色域来感测光并触发通道的开启或关闭。半合成或全合成的光控纳米孔可以提供更多的设计灵活性和更广泛的功能范围。其中，dna因其碱基配对的精准自组装性，以dna为材料制成的合成膜通道已被多次报道，其可以响应诸如寡核苷酸、蛋白质和温度等效应物而打开。但由于dna本身不是光可调的，化学发色团的共价偶联可以为光控dna纳米孔提供所需的功能结构。
近期，英国伦敦大学学院的stefan howorka教授团队开创了一种以dna和偶氮苯发色团合成的光控纳米孔（lp），其可以通过一个可逆的“盖子”来调控物质跨膜转运。该工作以“a light-triggered synthetic nanopore forcontrolling molecular transport across biological membranes”为题，发表在angew期刊上。
lp的设计如图1所示，是一个带有光控盖子的桶形纳米孔。纳米孔由6条dna链（蓝色）组成，并组装成6个双螺旋，通过发夹相互连接并以六角形方式排列，其空腔直径为2 nm。孔的两个双链体具有细长的不成对序列瓣，称为“铰链”，编号为1和2。lp的盖链（红色）由光敏偶氮苯修饰，其可以通过光控实现可逆的顺反异构化（图1a）。在闭合状态下，盖链与两个铰链结合，从而阻塞分子转运的通道入口（图1b，左）。而偶氮苯的顺式构象选择性破化了盖子与铰链1之间的dna双链，形成开放的通道（图1b，右）。
图1 光控纳米孔（lp）的设计及功能原理
接下来，研究人员用琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳（page）证实了纳米孔的成功组装（图2a-2b）。为了实现光控纳米孔的膜结合，研究人员用胆固醇标签（橙色）修饰了四条孔链，并通过小单层膜囊泡（suv）由page进行评估。结果表明，带有两个胆固醇标签的孔（lp-2cδa）相较于不带标签的孔（lp-0cδa），其电泳凝胶带上移，表明孔与suv成功结合（图2c、2i），而凝胶条带的定量分析也说明了即使增加suv浓度，阴性的lp-0cδa与suv的结合率仍较小，符合预期（图2c（ii））。此外，研究人员还通过共聚焦荧光显微镜进一步研究了胆固醇标记的纳米孔与囊泡的结合（图2d）。
图2 光控纳米孔（lp）变体的组装和膜结合
然后，研究人员探究了孔道的光控开关及分子跨膜转运的相关激活。研究人员用uv/vis吸收光谱证明了光诱导孔盖从反式偶氮苯转变为顺式异构体（图3a-3b），并分析了lp打开状态下的小分子转运动力学（图3c-3d）。
图3 小分子物质在光控纳米孔（lp）中的转运
最后，为了探究光控开口时纳米孔的结构动力学变化，研究人员进行了单通道电流记录。首先确认了无盖lp的开孔电流及其相关特征（图4a）。相比之下，封闭盖子的单孔电流小得多，证明了盖子阻挡通道入口的能力（图4b）。而光照射下lp呈现出的特征证明了光触发lp打开的能力（图4c）。
图4 单通道电流记录实验
综上所述，研究人员将dna纳米技术与光化学协同结合，描述了第一个能控制分子跨膜转运的合成光控纳米孔。合成光控纳米孔在研究受控药物释放、生物传感以及在细胞样容器中构建光触发人工信号网络方面有着广泛的应用。此外，光控孔可用于研究核酸的转运。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202210886
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lp的设计如图1所示，是一个带有光控盖子的桶形纳米孔。纳米孔由6条dna链（蓝色）组成，并组装成6个双螺旋，通过发夹相互连接并以六角形方式排列，其空腔直径为2 nm。孔的两个双链体具有细长的不成对序列瓣，称为“铰链”，编号为1和2。lp的盖链（红色）由光敏偶氮苯修饰，其可以通过光控实现可逆的顺反异构化（图1a）。在闭合状态下，盖链与两个铰链结合，从而阻塞分子转运的通道入口（图1b，左）。而偶氮苯的顺式构象选择性破化了盖子与铰链1之间的dna双链，形成开放的通道（图1b，右）。
图1 光控纳米孔（lp）的设计及功能原理
接下来，研究人员用琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳（page）证实了纳米孔的成功组装（图2a-2b）。为了实现光控纳米孔的膜结合，研究人员用胆固醇标签（橙色）修饰了四条孔链，并通过小单层膜囊泡（suv）由page进行评估。结果表明，带有两个胆固醇标签的孔（lp-2cδa）相较于不带标签的孔（lp-0cδa），其电泳凝胶带上移，表明孔与suv成功结合（图2c、2i），而凝胶条带的定量分析也说明了即使增加suv浓度，阴性的lp-0cδa与suv的结合率仍较小，符合预期（图2c（ii））。此外，研究人员还通过共聚焦荧光显微镜进一步研究了胆固醇标记的纳米孔与囊泡的结合（图2d）。
图2 光控纳米孔（lp）变体的组装和膜结合
然后，研究人员探究了孔道的光控开关及分子跨膜转运的相关激活。研究人员用uv/vis吸收光谱证明了光诱导孔盖从反式偶氮苯转变为顺式异构体（图3a-3b），并分析了lp打开状态下的小分子转运动力学（图3c-3d）。
图3 小分子物质在光控纳米孔（lp）中的转运
最后，为了探究光控开口时纳米孔的结构动力学变化，研究人员进行了单通道电流记录。首先确认了无盖lp的开孔电流及其相关特征（图4a）。相比之下，封闭盖子的单孔电流小得多，证明了盖子阻挡通道入口的能力（图4b）。而光照射下lp呈现出的特征证明了光触发lp打开的能力（图4c）。
图4 单通道电流记录实验
综上所述，研究人员将dna纳米技术与光化学协同结合，描述了第一个能控制分子跨膜转运的合成光控纳米孔。合成光控纳米孔在研究受控药物释放、生物传感以及在细胞样容器中构建光触发人工信号网络方面有着广泛的应用。此外，光控孔可用于研究核酸的转运。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202210886
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