Angew. Chem. Int. Ed.：江雷院士-基于DNA的仿生光控離子傳輸通道

【引言】

在眾多納米器件中，光響應器件因其可以將光信號轉化為各種有用的輸出信號而受到廣泛關注。光響應器件響應時間短且具有可逆性，使其可以快速有效地在不同狀態間相互轉換。光電開關最引人注目和最具挑戰的一個應用是基于通道控制。自然界中存在的視網膜紫質通道就是一種光控陽離子通道。除了直接利用這種通道，研究人員也已經利用光致變色分子改性制備出了光響應生物瓣膜。但是這種光敏生物瓣膜比較脆弱，很難適應外部環境的變化，限制了它們的應用。為解決這一問題，研究人員又研發出了具有可控物理化學性能的固態納米通道，而目前已有的固態納米通道生物相容性差、功能性少，限制了他們在眾多領域的應用。利用DNA的雙重構造的超分子性能，研究人員已經設計出了多種DNA納米結構和納米器件。因此，將DNA技術與光響應通道結合起來直接控制離子傳輸成為光控納米通道的新途徑。

【成果簡介】

最近，中科院理化技術研究所&北航的江雷院士，理化所的聞利平研究員和Kong XiangYu（共同通訊作者）等人利用含偶氮苯的DNA（Azo-DNA）束的自組裝，研發了一種可用于控制離子傳輸的光控納米通道。在可見光和紫外光的分別作用下，偶氮苯發生了構象間的相互轉化，實現了DNA的收縮和放松狀態的光控轉換，從而實現通道的打開與關閉，因此Azo-DNA可以被用作制備光控閥門的控制單元。Azo-DNA通道可以在可見光（450nm）的照射下打開，然后在紫外線（365nm）的照射下關閉。通過對熒光團以及磺基-羅丹明B分子的釋放實驗，驗證了這種DNA納米通道具備光控分子傳輸性能。除了響應時間短、具有可逆性之外，Azo-DNA納米通道系統還具有良好的生物相容性和多功能設計，可以被用在光控藥物釋放、光信息存儲和邏輯網絡等方面。

[致歉：文中通訊作者之一的Kong XiangYu的確切中文名未能找到，在此小編表示誠摯的歉意！]

【圖文簡介】

圖1 Azo-DNA和PET納米通道的表征

a,b）Azo-DNA在不同波長光的照射下不同構象的吸收光譜和園二色性譜；可以看出，吸收峰在330nm之后顯著下降，表明順式異構體形成，而反式異構體減少。隨著偶氮苯的異構化，任意單獨存在的DNA束轉換成了光響應雙重簪式結構 。

c）配體固定前后PET膜的光電子能譜；改性之后，出現了新的P2p、P2s和N1s的峰，表明5’-硫醇封端的DNA束被成功接枝到噴金表面上。

d）納米通道改性前后的電導率；電導率的窄分布證明了這種DNA納米器件的穩定性。改性后的納米通道的離子電導率比未改性的降低了143倍，表明Azo-DNA改性成功。

圖2 Azo-DNA納米通道的光響應性能

a,c）不同光照下納米通道在穩定電壓（-1V）時具有代表性的傳輸電流軌跡；可見光照射導致的開放狀態下，離子電導率增加到24.58±0.02nS，而紫外線照射導致的關閉狀態下的離子電導率降低到3.36±0.01nS。

b,d）電壓從-1V到+1V時的電流軌跡；

e）不同光照下納米通道的不同狀態間的轉換；在可見光照射下，DNA束的簪式結構有效直徑增加，因此得到一個大的流動比率（≈3.2），而在紫外線照射下，任意單獨存在的DNA束的有效直徑減小，流動比率變小（≈1.1）。光異構化的循環過程中沒有出現任何衰減。

圖3 Azo-DNA納米通道用于調節小分子的釋放

a）DNA納米通道在偶氮苯的不同構象下對熒光團分子的傳輸；

b）未改性的納米通道和DNA納米通道對熒光團的釋放比例圖；

c）納米通道傳輸示意圖；

由于紫外線照射導致通道關閉，對分子的釋放量很小，而可見光照射時，通道開放，對分子的釋放量增多。可見光和紫外光對未改性納米通道的分子釋放行為沒有任何影響，而Azo-DNA納米通道在可見光和紫外光分別照射時的分子釋放行為明顯不同，說明DNA系統可以成功由光控制。

【小結】

江雷教授等人通過將可光切換的Azo-DNA束整合到納米多孔的PET薄膜上，成功研發出了能夠光控和按需傳輸分子的功能性納米通道。通過對DNA束上偶氮苯的光穩態進行轉換， Azo-DNA改性的納米多孔體系能夠達到可逆且循環使用。通過磺基羅丹明B，驗證了這種結構所具有的光控分子傳輸性能。基于以上結果，這種生物相容的DNA光控納米通道可以被用于光控藥物釋放和其他各種生物技術應用方面。

通訊作者簡介

江雷，納米材料專家，無機化學家。中國科學院院士，國家納米中心首席科學家，中科院化學研究所研究員，中科院理化技術研究所研究員，北京航空航天大學化學與環境學院院長，第三世界科學院院士，美國工程院外籍院士。博士生導師，曾任日本神奈川科學院研究員，主要從事仿生智能超浸潤界面材料的研究工作。迄今發表SCI論文500余篇，被引用35000余次，H因子為87。已獲發明專利授權70余項。現兼任英國皇家化學學會會士，《Small》國際顧問編委會主席、《材料科學》副主編、《Adv. Funct. Mater.》、《Acs Nano》、《Adv. Mater. Interfaces》等雜志的編委。（此信息來源于360百科以及中科院理化技術研究所官網）

聞利平，物理化學博士學位，師從江雷院士，現任中國科學院理化技術研究所研究員。主要從事低維納米通道膜材料的制備及應用方面的研究工作。目前發表相關方面的高水平的研究論文四十余篇，其中通訊或第一作者Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇和Adv. Mater. 7篇，有5次被選為期刊封面，研究成果被多家期刊或媒體做為亮點介紹。

文獻鏈接：Light-Controlled Ion Transport through Biomimetic DNA-Based?Channels（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201609161）

本文由材料人編輯部生物材料組Lynn供稿，材料牛編輯整理。

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