生物离子通道是一种成孔膜蛋白，通过控制胞内外的离子运输在复杂的生命过程中发挥着重要作用。比如，由视蛋白和同分异构的视黄醛构成的视紫红质，通过将光信号转化为电信号充当初级光感受器。关于光敏感通道蛋白离子转运特性方面的研究不仅对基础生物学研究具有重要意义，而且对生理学、光遗传学等多学科的发展都具有举足轻重的作用。然而，天然的通道蛋白由于极不稳定，限制了其在体外环境中作为实验材料的应用。近年来，关于离子通道的研究蓬勃发展，构建人造光敏离子通道对于生物离子通道传输机制的研究发挥着重要的作用，并为生物传感设计、智能仪器制造奠定基础。
图1. 基于氧化石墨烯与嵌入偶氮苯的DNA相互作用构建的离子门控示意图。
近日，南京大学/上海大学的李根喜教授、朱小立教授等利用氧化石墨烯与光学异构化偶氮苯嵌入的DNA （Azo-DNA）相互作用，在阳极氧化铝薄膜电极表面构建了一种仿生视紫红质的离子门控。感光细胞中的视紫红质是由视蛋白通过Lys296与11-顺式-视黄醛共价相连组成的，光触发视紫红质的组分11-顺式-视黄醛转化为全反式视黄醛，结构的改变导致视蛋白与视黄醛分离。他们受该现象的启发，利用Azo-DNA的光学响应性，设计并构建了一种仿生视紫红质的离子门控（图1）。该研究首次基于氧化石墨烯与修饰在阳极氧化铝薄膜电极表面的Azo-DNA之间的相互作用，制备了生物模拟的光敏离子门控。如图2所示，光响应的偶氮苯分子在可见光（430 nm）下呈现平面反式状态，在紫外光（365 nm）照射下呈现非平面顺式状态，相应地，Azo-DNA在不同的光照下可形成单链或被稳定成双链结构，因此可作为光敏感受器。在交替光的照射下形成的单、双链DNA由于与氧化石墨烯的结合能力不同，产生氧化石墨烯与阳极氧化铝薄膜表面结合和脱落两种情况，从而实现了离子门控在“关”和“开”之间的可逆切换。此外，该光控离子通道利用阳极氧化铝薄膜阻挡层微小的通道作为离子通道主体，获得了更高的开关控制效率。
图2. 偶氮苯与Azo-DNA光学异构化原理图。
与通过在纳米通道中修饰特定物质而需要复杂的修饰过程和制备过程的人工离子通道不同，该设计具有操作简单、通用性强等优点。此外，由于氧化石墨烯的高阻隔性，而且阻挡层中通道的直径极小，因此他们构建的离子门控具有优异的开关效率和交替光照射下离子输运开关可逆能力。
这一成果近日发表在Journal of the American Chemical Society 上，硕士研究生石榴同学是文章的第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Rhodopsin-Like Ionic Gate Fabricated with Graphene Oxide and Isomeric DNA Switch for Efficient Photocontrol of Ion Transport
Liu Shi, Chaoli Mu, Tao Gao, Wenxin Chai, Anzhi Sheng, Tianshu Chen, Jie Yang, Xiaoli Zhu, Genxi Li
J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b01759
导师介绍
李根喜
https://www.x-mol.com/university/faculty/43036
朱小立
https://www.x-mol.com/university/faculty/43037
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