近日，我校伟徳国际官网登录入口、醫藥生物技術國家重點實驗室李根喜教授與上海大學朱小立教授等合作在基于生物分子工程構建離子通道方面取得重要進展，相關研究成果以《Rhodopsin-Like Ionic Gate Fabricated with Graphene Oxide and Isomeric DNA Switch for Efficient Photocontrol of Ion Transport》為題，發表在J. Am. Chem. Soc. 2019, 141: 8239-8243.
生物離子通道是一種成孔膜蛋白，通過控制胞内外的離子運輸在複雜的生命過程中發揮着重要作用。研究表明，幾乎所有的細胞過程都依賴離子通道。因此，離子通道一直是生物醫學研究的熱點前沿領域。然而，天然的通道蛋白由于極不穩定，限制了其在體外環境中作為實驗材料的應用。近年來，人工構建離子通道的研究引起了廣泛關注，為生物離子通道傳輸機制的研究創造了條件，也為生物傳感設計、智能儀器制造奠定了基礎。
圖1 基于氧化石墨烯與嵌入偶氮苯的DNA相互作用構建的離子門控示意圖。
李根喜教授課題組長期從事生物分子工程及生物醫學應用方面的研究工作，近期與上海大學的朱小立教授等合作，利用氧化石墨烯與光學異構化偶氮苯嵌入的DNA （Azo-DNA）相互作用，在陽極氧化鋁薄膜電極表面構建了一種仿生視紫紅質的離子門控。感光細胞中的視紫紅質是由視蛋白通過Lys296與11-順式-視黃醛共價相連組成的，光觸發視紫紅質的組分11-順式-視黃醛轉化為全反式視黃醛，結構的改變導緻視蛋白與視黃醛分離。他們受該現象的啟發，利用Azo-DNA的光學響應性，設計并構建了一種仿生視紫紅質的離子門控（圖1）。該研究首次基于氧化石墨烯與修飾在陽極氧化鋁薄膜電極表面的Azo-DNA之間的相互作用，制備了生物模拟的光敏離子門控。如圖2所示，光響應的偶氮苯分子在可見光（430 nm）下呈現平面反式狀态，在紫外光（365 nm）照射下呈現非平面順式狀态，相應地，Azo-DNA在不同的光照下可形成單鍊或被穩定成雙鍊結構，因此可作為光敏感受器。在交替光照射下形成的單、雙鍊DNA由于與氧化石墨烯的結合能力不同，産生氧化石墨烯與陽極氧化鋁薄膜表面結合和脫落兩種情況，從而實現了離子門控在“關”和“開”之間的可逆切換。此外，該光控離子通道利用陽極氧化鋁薄膜阻擋層微小的通道作為離子通道主體，獲得了更高的開關控制效率。
圖2 偶氮苯與Azo-DNA光學異構化原理圖
與通過在納米通道中修飾特定物質而需要複雜的修飾過程和制備過程的人工離子通道不同，該設計具有操作簡單、通用性強等優點。此外，由于氧化石墨烯的高阻隔性，而且阻擋層中通道的直徑極小，因此他們構建的離子門控具有優異的開關效率和交替光照射下離子輸運開關可逆能力。
我校碩士研究生石榴同學為文章的第一作者，李根喜教授和朱小立教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金的支持。