近日,，我校材料與化學(xué)化工學(xué)院劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)在光控邏輯門(mén)離子通道領(lǐng)域取得新進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以題為Molecular Motor-Driven Light-Controlled Logic-Gated K+ Channel for Cancer Cell Apoptosis發(fā)表于國(guó)際知名期刊Advanced Materials（IF=29.4）上。

眾所周知,，天然通道蛋白（NCPs）可實(shí)現(xiàn)相關(guān)物種在細(xì)胞膜上的高選擇性傳輸,，并具有優(yōu)異、獨(dú)特的門(mén)控性質(zhì)，其動(dòng)態(tài)調(diào)控特性體現(xiàn)在傳輸狀態(tài)的多態(tài)性,，以及對(duì)不同環(huán)境變化的適應(yīng)性,。通過(guò)向自然界學(xué)習(xí)，人工仿生離子通道的研究有助于揭示NCPs更深層次的動(dòng)態(tài)機(jī)制,，并進(jìn)一步為通道相關(guān)疾病的早期診斷和治療提供新思路,。目前，科學(xué)家所構(gòu)建的具有動(dòng)態(tài)行為的人工跨膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是基于對(duì)NCPs的有限認(rèn)識(shí)而設(shè)計(jì)的,，這些人工離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)僅僅關(guān)注于簡(jiǎn)單的"ON/OFF"狀態(tài)轉(zhuǎn)換,。因此，開(kāi)發(fā)出能夠處理復(fù)雜信息并實(shí)現(xiàn)分步離子轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)的新型跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)十分具有挑戰(zhàn)性,。

針對(duì)以上問(wèn)題,，劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)閆毅教授團(tuán)隊(duì)首次提出光控邏輯門(mén)離子通道的概念，并將該人工鉀通道用于抗癌治療,。作者將分子馬達(dá)概念與人工離子通道概念結(jié)合起來(lái),，構(gòu)建了一種基于分子馬達(dá)的單鏈無(wú)規(guī)共聚合物（RHPs）的光控邏輯門(mén)控K+通道，該通道具有類似多核處理器的特性,，可逐步控制離子傳輸,。以氧氣、脫氧和不同波長(zhǎng)的光作為輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì),，建立了由 "YES",、"AND"、"OR "和 "NOT "門(mén)元件組成的復(fù)雜邏輯電路,。執(zhí)行這些邏輯電路用K+的傳輸狀態(tài)作為輸出信號(hào),，研究人員在脂質(zhì)體和癌細(xì)胞中均實(shí)現(xiàn)了多種傳輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，包括 "開(kāi)啟",、"部分關(guān)閉 "和 "完全關(guān)閉",，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了分步抗癌治療。在 "ON "狀態(tài)下,，急劇的K+外流（7 分鐘內(nèi)減少 50%）可顯著誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡,。這種集成的邏輯門(mén)控通道不僅有助于人們理解NCPs的微妙機(jī)制，并且在癌癥或其他疾病治療領(lǐng)域同樣具備潛在應(yīng)用價(jià)值,。

光控邏輯門(mén)通道的制備和表征過(guò)程如下：首先,，利用RAFT聚合制備了P1, P2和P3三種聚合物，用HPTS囊泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)P2的傳輸活性最好,，具有最高的傳輸活性和K+/Na+選擇性,。為了確定堿金屬離子為主要的傳輸種類，采用了光澤精囊泡實(shí)驗(yàn)證明P2幾乎不傳氯離子,。高的K+/Na+選擇性通常能夠產(chǎn)生膜電位,，用藏紅T實(shí)驗(yàn)確定了其膜電位的產(chǎn)生。研究人員利用脂雙層研究了P2的傳輸機(jī)理,，從脂雙層實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,，明顯的電流信號(hào)表明P2是以通道的機(jī)制傳輸鉀離子，而不是以轉(zhuǎn)運(yùn)體的機(jī)制,，采用反轉(zhuǎn)電位測(cè)定了其K+/Na+選擇性高達(dá)9.63,。

由于單體M1在具備光敏性E-Z互變的化學(xué)性質(zhì)，因此,，該分子馬達(dá)在不同的邏輯門(mén)指令下,，可以發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變或者不可逆的光氧化斷裂。通過(guò)紫外光譜表征發(fā)現(xiàn),，對(duì)(E)-M1執(zhí)行“Gate 1”指令時(shí),，結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生光氧化斷裂（340 nm和360 nm處的特征吸收峰消失），對(duì)(E)-M1執(zhí)行“Gate 2”指令時(shí),，結(jié)構(gòu)上會(huì)部分變成(Z)-M1,；再執(zhí)行“Gate 3”，又會(huì)變成(E)-M1,。通過(guò)對(duì)P2執(zhí)行不同的邏輯門(mén)指令,，可以發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變。對(duì)于其功能上的轉(zhuǎn)變,，用鉀離子的傳輸速率作為輸出信號(hào),，從HPTS實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行“Gate 1”指令時(shí),，K+的傳輸活性可以從“開(kāi)”切換到“完全關(guān)閉”的狀態(tài),。執(zhí)行“Gate 2”指令時(shí)，K+的傳輸活性可以從“開(kāi)”變成“部分關(guān)閉”的狀態(tài),，再次執(zhí)行“Gate 3”指令時(shí),，可以從“部分關(guān)閉”切換到“開(kāi)”的狀態(tài)。測(cè)定P2 的抗癌效果發(fā)現(xiàn)P2對(duì)U87-MG等6種細(xì)胞均具有優(yōu)良的抗癌活性,，并且該抗癌效果與K+的外流密切相關(guān),。通過(guò)細(xì)胞色素C的釋放，線粒體膜電位的丟失以及流式實(shí)驗(yàn)證明癌細(xì)胞是以凋亡的機(jī)制死亡的,。在細(xì)胞層面驗(yàn)證該邏輯門(mén)指令的可行性發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)P2執(zhí)行不同的邏輯門(mén)指令,，K+外流的速率不同，并且可以控制癌細(xì)胞的凋亡,。

該論文首次提出邏輯門(mén)控仿生離子通道的概念,，對(duì)于理解天然通道的門(mén)控行為機(jī)制具有重要的生物學(xué)意義，也為開(kāi)發(fā)在生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用的智能仿生納米通道提供了全新的思路,。

該論文第一作者為李聰博士生（杭州師范大學(xué)與西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)）,，我校材化學(xué)院劉俊秋教授、祝鼎成副教授、閆騰飛副教授和西北工業(yè)大學(xué)閆毅教授為共同通訊作者,，杭州師范大學(xué)為第一完成單位,。該論文成果接受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資金資助,。