天然通道蛋白（NCPs）可實現相關物種在細胞膜上的高選擇性傳輸，並具有優良的門控特性。其微妙的動態調控特性體現在其傳輸狀態的多型性，以適應不同環境的變化。然而，對 NCPs潛在動態行為的研究卻十分困難。人工仿生離子通道研究可為揭示NCPs更深層次的動態機制做出特殊貢獻，並可進一步為通道相關疾病的早期診斷和治療提供新思路。目前科學家所構建的具有動態行為的人工跨膜離子轉運系統是基於對NCPs的有限認識而設計的，這些人工離子轉運系統僅僅關注於簡單的"ON/OFF"狀態轉換。為了深入認識NCPs多型性的本質，開發能夠處理複雜資訊並最終實現分步離子轉運調節的新型跨膜轉運系統勢在必行，但是極具挑戰性。
針對以上問題，杭州師範大學劉俊秋教授團隊聯合西北工業大學閆毅教授團隊首次提出光控邏輯閘離子通道的概念，並將該人工鉀通道用於抗癌治療。作者將分子馬達概念與人工離子通道概念結合起來，構建了一種基於分子馬達的單鏈無規共聚合物（RHPs）的光控邏輯閘控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、脫氧和不同波長的光作為輸入訊號進行設計，建立了由 "YES"、"AND"、"OR "和 "NOT "門元件組成的複雜邏輯電路。執行這些邏輯電路用K +的傳輸狀態作為輸出訊號，作者在脂質體和癌細胞中均實現了多種傳輸狀態的轉換，包括 "開啟"、"部分關閉 "和 "完全關閉"，從而進一步實現了分步抗癌治療。在 "ON "狀態下，急劇的K +外流（7 分鐘內減少 50%）可顯著誘導癌細胞凋亡。作者期待這種整合的邏輯閘控策略能在理解NCPs的微妙機制和治療癌症或其他疾病方面得到推廣。
方案 1.合理設計新型光控邏輯閘人工跨膜離子通道系統，用於逐步控制 K+ 轉運和癌細胞凋亡
作者用RAFT聚合製備了P1, P2和P3三種聚合物（單體的比例不同），用HPTS囊泡實驗發現P2的傳輸活性最好，具有最高的傳輸活性和K +/Na +選擇性。為了確定鹼金屬離子為主要的傳輸種類，採用了光澤精囊泡實驗證明P2幾乎不傳氯離子。高的K +/Na +選擇性通常能夠產生膜電位，用藏紅T實驗確定了其膜電位的產生。
圖 1.基於 LUVs 的離子傳輸活性和選擇性評估實驗
作者利用脂雙層研究了P2的傳輸機理，從脂雙層實驗結果看出，明顯的電流訊號表明P2是以通道的機制傳輸鉀離子，而不是以轉運體的機制。採用反轉電位測定了其K +/Na +選擇性高達9.63。
圖2.P2的轉運機制和K+/Na+選擇性的測定。
作者用紫外可見光譜、核磁以及質譜確定了分子馬達的結構改變。該分子馬達在不同的邏輯閘指令下，可以發生E-Z構型的可逆轉變或者不可逆的光氧化斷裂。從紫外表徵圖中可以看出，對(E)-M1執行“Gate 1”指令時，結構上會發生光氧化斷裂（340 nm和360 nm處的特徵吸收峰消失），對(E)-M1執行“Gate 2”指令時，結構上會部分變成(Z)-M1；再執行“Gate 3”，又會變成(E)-M1。
圖 3. (E)-M1 的光氧化和光異構化行為
透過對P2執行不同的邏輯閘指令，可以發生結構上的轉變。對於其功能上的轉變，用鉀離子的傳輸速率作為輸出訊號，從HPTS實驗發現，執行“Gate 1”指令時，K +的傳輸活性可以從“開”切換到“完全關閉”的狀態。執行“Gate 2”指令時，K +的傳輸活性可以從“開”變成“部分關閉”的狀態，再次執行“Gate 3”指令時，可以從“部分關閉”切換到“開”的狀態。
圖 4. 透過邏輯閘操作實現 P2 的光控 K+傳輸。
測定P2 的抗癌效果發現P2對U87-MG等6種細胞均具有優良的抗癌活性，並且該抗癌效果與K +的外流密切相關。透過細胞色素C的釋放，線粒體膜電位的丟失以及流式實驗證明癌細胞是以凋亡的機制死亡的。
圖 5. K+外流與癌細胞凋亡研究
在細胞層面驗證該邏輯閘指令的可行性發現透過對P2執行不同的邏輯閘指令，K +外流的速率不同，並且可以控制癌細胞的凋亡。
圖 6. 透過邏輯閘操作控制K+外流和細胞活力
該工作近期以題為“Molecular Motor-Driven Light-Controlled Logic-Gated K + Channel for Cancer Cell Apoptosis”發表在《Advanced Materials》上。博士生李聰（西工大和杭師大聯培）為文章第一作者，杭師大劉俊秋教授、西工大閆毅教授、杭師大祝鼎成副教授以及杭師大閆騰飛副教授為論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金，科技部重點研發計劃等專案的資助與支援。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
