Angew. Chem.：光敏轮烷分子缆车门控离子跨膜传输

离子转运蛋白是细胞膜上一种负责穿膜转运各种离子的膜蛋白，在调节pH平衡、维持渗透压、转导信号等细胞生理活动中扮演着重要的角色。针对天然离子转运蛋白在细胞膜上含量低、体外易变性等问题，人们开始利用人工合成体系去模拟其结构和功能，在帮助理解转运机制的同时，也为相关疾病的诊断和治疗提供潜在应用。

除了具备极高的离子转运效率和离子选择性外，天然的转运蛋白还具备门控性，即可受外部刺激调控离子跨膜运输的性能。例如，来自莱茵衣藻的通道视紫红质蛋白 (ChRs)，它可以通过光刺激导致分子构象的变化实现光门控离子传输。受此启发，化学家开始利用光可逆异构化基团来构建人工光门控离子跨膜传输体系。目前比较成功地案例大都是基于光遗传学技术构建的光门控蛋白通道，相比之下，由于磷脂膜复杂的作用环境，使得人工合成体系的设计变得十分困难，很难实现光门控的离子跨膜传输。

图1. 光控轮烷分子结构（a）和光门控离子跨膜运输机制（b）。

近日，华东理工大学包春燕教授（点击查看介绍）和曲大辉教授（点击查看介绍）合作，在他们利用轮烷分子机器模拟天然转运蛋白的结构和功能，实现离子跨膜运输的工作基础上（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 17992-17998.），进一步引入偶氮苯光致异构基团，通过调控轮烷梭动实现可逆的光门控离子跨膜运输。如图1所示，当偶氮苯为trans构象时 (左)，轮烷分子在位点间随机、自由的穿梭可以实现离子的跨膜运输；当分子光异构化为cis构象时 (右)，弯曲的结构阻碍了轮烷的梭动，从而阻止了离子的跨膜运输。

图2. 原位光控脂质体荧光测试（a）和平面膜片钳测试（b）。

作者首先通过紫外光谱、一维及二维核磁证明了轮烷分子两种构象的光可逆异构化，并测得trans-异构体的梭动速率远高于cis-异构体。然后，在平面膜片钳实验中，作者记录到了矩形方波的通道电流信号，在高电压下还能记录到多台阶信号，说明所设计的轮烷分子能横跨磷脂膜，通过位点间的梭动实现离子的高效传输。经典的荧光脂质体实验证明，轮烷分子两种异构体的离子跨膜运输活性差别很大，与轮烷梭动速率的变化一致。最后，通过原位光控实验，发现荧光动力学曲线呈现台阶式变化，平面膜片钳电流信号也表现出trans-异构体的通道开放概率远远高于cis-异构体，实现了光可控的ON/OFF的离子跨膜传输（如图2所示）。所得结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。本工作在发展新型光门控人工离子传输体系的同时，还将有助于理解膜蛋白的离子转运机制，有望运用分子机器的穿梭运动，实现轮烷类人工离子转运体系在新药研发领域的应用。

论文由华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心博士汪晨曦和硕士汪顺康在包春燕教授、曲大辉教授共同指导下完成，并获得了田禾院士、朱麟勇教授的大力支持和悉心指导。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科技重大项目以及“111”引智计划等资金的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Light-Operated Molecular Cable Car for Gated Ion Transport

Chenxi Wang, Shunkang Wang, Huiting Yang, Yanxin Xiang, Xuebin Wang, Chunyan Bao, Linyong Zhu, He Tian, Da-Hui Qu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202102838

导师介绍

包春燕

https://www.x-mol.com/university/faculty/10484 

曲大辉

https://www.x-mol.com/groups/qu_dahui