生物離子通道是一種成孔膜蛋白，通過控制胞內(nèi)外的離子運(yùn)輸在復(fù)雜的生命過程中發(fā)揮著重要作用。研究表明，幾乎所有的細(xì)胞過程都依賴離子通道。因此，離子通道一直是生物醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。然而，天然的通道蛋白由于極不穩(wěn)定，限制了其在體外環(huán)境中作為實(shí)驗(yàn)材料的應(yīng)用。近年來，人工構(gòu)建離子通道的研究引起了廣泛關(guān)注，為生物離子通道傳輸機(jī)制的研究創(chuàng)造了條件，也為生物傳感設(shè)計(jì)、智能儀器制造奠定了基礎(chǔ)。

圖1 基于氧化石墨烯與嵌入偶氮苯的DNA相互作用構(gòu)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(yī)學(xué)應(yīng)用方面的研究工作，近期與上海大學(xué)的朱小立教授等合作，利用氧化石墨烯與光學(xué)異構(gòu)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(gòu)建了一種仿生視紫紅質(zhì)的離子門控。感光細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)是由視蛋白通過Lys296與11-順式-視黃醛共價(jià)相連組成的，光觸發(fā)視紫紅質(zhì)的組分11-順式-視黃醛轉(zhuǎn)化為全反式視黃醛，結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致視蛋白與視黃醛分離。他們受該現(xiàn)象的啟發(fā)，利用Azo-DNA的光學(xué)響應(yīng)性，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種仿生視紫紅質(zhì)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，制備了生物模擬的光敏離子門控。如圖2所示，光響應(yīng)的偶氮苯分子在可見光（430 nm）下呈現(xiàn)平面反式狀態(tài)，在紫外光（365 nm）照射下呈現(xiàn)非平面順式狀態(tài)，相應(yīng)地，Azo-DNA在不同的光照下可形成單鏈或被穩(wěn)定成雙鏈結(jié)構(gòu)，因此可作為光敏感受器。在交替光照射下形成的單、雙鏈DNA由于與氧化石墨烯的結(jié)合能力不同，產(chǎn)生氧化石墨烯與陽極氧化鋁薄膜表面結(jié)合和脫落兩種情況，從而實(shí)現(xiàn)了離子門控在“關(guān)”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(guān)控制效率。

圖2 偶氮苯與Azo-DNA光學(xué)異構(gòu)化原理圖。

與通過在納米通道中修飾特定物質(zhì)而需要復(fù)雜的修飾過程和制備過程的人工離子通道不同，該設(shè)計(jì)具有操作簡單、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(gòu)建的離子門控具有優(yōu)異的開關(guān)效率和交替光照射下離子輸運(yùn)開關(guān)可逆能力。

南京大學(xué)碩士研究生石榴同學(xué)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(xué)基金的支持。