华东理工大学包春燕、曲大辉合作Angew：光驱马达旋转运动加速钾离子跨膜转运和诱导癌细胞凋亡

细胞膜上离子的转运与许多生命活动息息相关，离子转运蛋白功能的异常会引发许多疾病，如囊性纤维化、先天性肌痉挛、色素性视网膜炎等。为了探究这些疾病的致病原理并研发特异性治疗药物，科学家们对转运蛋白进行解析，并设计人工合成的离子转运体来模拟天然转运蛋白的功能，希望能替代结构功能异常的天然蛋白实现相关疾病的治疗。迄今为止，许多人工合成的离子转运体已被证明具有抗菌和抗癌作用。然而，大多数报道的人工离子转运体由于相对较低的离子转运活性和细胞非特异性限制了其实际治疗应用价值。因此，开发可在细胞膜上发生高效离子转运，并能选择性杀死癌细胞或细菌的人工离子转运体在生物医用领域具有广阔的应用前景。

近日，受自然界利用生物分子机器转运物质的启发，华东理工大学包春燕教授与曲大辉教授合作，提出设计一种以光驱动的马达为核心结构的人工离子转运体MC2来模拟天然转运蛋白的结构和功能。MC2分子中间是一个可以在光驱动下发生快速旋转运动的马达基团，在定子上利用两个烷基链对称引入两个K⁺离子识别基团，整个分子可以垂直插入并横跨脂质膜形成稳定的K⁺通道。在紫外光照射下，离子的跨膜活性和单通道电流均显著增加，表明马达的机械运动引起磷脂膜局部脂质微相和流动性的变化从而使离子传输加快，实现光可调控的离子跨膜运输。

进一步，将MC2与不同种类的细胞共培养，发现在观察浓度范围内细胞均可保持70%以上的存活率，而紫外光照后，相较于两种正常细胞（小鼠成纤维细胞，HUVEC；人脐静脉内皮细胞，L929），对宫颈癌细胞HeLa和肝癌细胞HepG2具有更高的细胞毒性，IC₅₀值分别为0.30±0.02 μM和0.66±0.01 μM，具有良好的癌细胞选择性。通过对HeLa细胞凋亡机理进行探究，发现紫外光激活MC2的马达旋转可促进K⁺流出，产生活性氧，激发细胞色素c从线粒体释放，最终激活caspase-3诱导细胞凋亡。结合光的时空可控优势，相信该策略为仿生人工阳离子传输体系的结构设计提供了新思路，为推进其在癌症和其他疾病治疗的应用提供了研究基础。

相关论文发表在Angewandte Chemie International Edition 上。论文由华东理工大学博士杨会婷和硕士易瑾昊在包春燕教授、曲大辉教授共同指导下完成，其中大量的理论计算部分由练成副教授所在团队完成，同时获得了田禾院士、朱麟勇教授和杨弋教授的大力支持和细心指导。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科技重大专项以及“111”引智计划等资金的支持。

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A Light-Driven Molecular Machine Controls K⁺ Channel Transport and Induces Cancer Cell Apoptosis

Huiting Yang, Jinhao Yi, Shihao Pang, Kai Ye, Zhicheng Ye, Qi Duan, Zexin Yan, Cheng Lian, Yi Yang, Linyong Zhu, Da-Hui Qu, Chunyan Bao

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202204605

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