杭师大刘俊秋教授团队/西工大闫毅教授团队Adv. Mater.: 分子马达驱动的光控逻辑门钾离子通道

天然通道蛋白（NCPs）可实现相关物种在细胞膜上的高选择性传输，并具有优良的门控特性。其微妙的动态调控特性体现在其传输状态的多态性，以适应不同环境的变化。然而，对 NCPs潜在动态行为的研究却十分困难。人工仿生离子通道研究可为揭示NCPs更深层次的动态机制做出特殊贡献，并可进一步为通道相关疾病的早期诊断和治疗提供新思路。目前科学家所构建的具有动态行为的人工跨膜离子转运系统是基于对NCPs的有限认识而设计的，这些人工离子转运系统仅仅关注于简单的"ON/OFF"状态转换。为了深入认识NCPs多态性的本质，开发能够处理复杂信息并最终实现分步离子转运调节的新型跨膜转运系统势在必行，但是极具挑战性。

  针对以上问题，杭州师范大学刘俊秋教授团队联合西北工业大学闫毅教授团队首次提出光控逻辑门离子通道的概念，并将该人工钾通道用于抗癌治疗。作者将分子马达概念与人工离子通道概念结合起来，构建了一种基于分子马达的单链无规共聚合物（RHPs）的光控逻辑门控K⁺通道，该通道具有类似多核处理器的特性，可逐步控制离子传输。以氧气、脱氧和不同波长的光作为输入信号进行设计，建立了由 "YES"、"AND"、"OR "和 "NOT "门元件组成的复杂逻辑电路。执行这些逻辑电路用K⁺的传输状态作为输出信号，作者在脂质体和癌细胞中均实现了多种传输状态的转换，包括 "开启"、"部分关闭 "和 "完全关闭"，从而进一步实现了分步抗癌治疗。在 "ON "状态下，急剧的K⁺外流（7 分钟内减少 50%）可显著诱导癌细胞凋亡。作者期待这种集成的逻辑门控策略能在理解NCPs的微妙机制和治疗癌症或其他疾病方面得到推广。

方案 1. 合理设计新型光控逻辑门人工跨膜离子通道系统，用于逐步控制 K+ 转运和癌细胞凋亡

作者用RAFT聚合制备了P1, P2和P3三种聚合物（单体的比例不同），用HPTS囊泡实验发现P2的传输活性最好，具有最高的传输活性和K⁺/Na⁺选择性。为了确定碱金属离子为主要的传输种类，采用了光泽精囊泡实验证明P2几乎不传氯离子。高的K⁺/Na⁺选择性通常能够产生膜电位，用藏红T实验确定了其膜电位的产生。

图 1. 基于 LUVs 的离子传输活性和选择性评估实验

作者利用脂双层研究了P2的传输机理，从脂双层实验结果看出，明显的电流信号表明P2是以通道的机制传输钾离子，而不是以转运体的机制。采用反转电位测定了其K⁺/Na⁺选择性高达9.63。

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作者用紫外可见光谱、核磁以及质谱确定了分子马达的结构改变。该分子马达在不同的逻辑门指令下，可以发生E-Z构型的可逆转变或者不可逆的光氧化断裂。从紫外表征图中可以看出，对(E)-M1执行“Gate 1”指令时，结构上会发生光氧化断裂（340 nm和360 nm处的特征吸收峰消失），对(E)-M1执行“Gate 2”指令时，结构上会部分变成(Z)-M1；再执行“Gate 3”，又会变成(E)-M1。

图 3. (E)-M1 的光氧化和光异构化行为

通过对P2执行不同的逻辑门指令，可以发生结构上的转变。对于其功能上的转变，用钾离子的传输速率作为输出信号，从HPTS实验发现，执行“Gate 1”指令时，K⁺的传输活性可以从“开”切换到“完全关闭”的状态。执行“Gate 2”指令时，K⁺的传输活性可以从“开”变成“部分关闭”的状态，再次执行“Gate 3”指令时，可以从“部分关闭”切换到“开”的状态。

图 4. 通过逻辑门操作实现 P2 的光控 K+传输。

测定P2 的抗癌效果发现P2对U87-MG等6种细胞均具有优良的抗癌活性，并且该抗癌效果与K⁺的外流密切相关。通过细胞色素C的释放，线粒体膜电位的丢失以及流式实验证明癌细胞是以凋亡的机制死亡的。

图 5. K⁺外流与癌细胞凋亡研究

在细胞层面验证该逻辑门指令的可行性发现通过对P2执行不同的逻辑门指令，K⁺外流的速率不同，并且可以控制癌细胞的凋亡。

图 6. 通过逻辑门操作控制K⁺外流和细胞活力

该工作近期以题为“Molecular Motor-Driven Light-Controlled Logic-Gated K⁺ Channel for Cancer Cell Apoptosis”发表在《Advanced Materials》上。博士生李聪（西工大和杭师大联培）为文章第一作者，杭师大刘俊秋教授、西工大闫毅教授、杭师大祝鼎成副教授以及杭师大闫腾飞副教授为论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划等项目的资助与支持。