基于DNA凝胶的仿生智能离子通道和离子泵的研究及应用

Ion pumps and ion channels, which exist in a cell membrane to intelligently control ions and small molecules into and out of the membrane, are essential for various vital processes including maintaining cellular ion homeostasis, signal transduction, and energy conversion. Up to now, various ion channels with smart passive ion transport properties and few analogues of ion pump with active ion transport properties have been artificially accomplished respectively, they are mainly realized through chemical modification of the nanochannels with polymers or monolayer of stimuli-responsive molecules directly, there are some disadvantages: such as transverse ionic flux is reduced; the gating mechanism can only be applicable for small nanopores with opening diameters of ~20 nm; for ion pump, the ions can only be transported in one direction and can’t optionally control the transport direction of ions. To overcome these drawbacks, we firstly prepared ion channels and ion pumps by stimuli-responsive DNA hydrogels, the transverse ionic flux and rectification ratio are obviously improved; the small side of the channel can be large than 20 nm, for the new ion pump, three special ion transport properties are accomplished and cation/anion transport direction can be precisely controlled. What’s more, the new nanochannel can be used in biosensor area to detect low concentration of glucose in serum.

存在于生物体的细胞膜上的离子通道和离子泵,它们智能地调控离子和小分子进出细胞膜，在物质交换、能量转换、信号传递等生命过程中发挥着重要作用。具有被动离子输运性质的仿生离子通道已被大量报道，然而具有离子主动输运性质的仿生离子泵的发展仍处于起步阶段。目前已报道的仿生离子通道和离子泵都是在纳米通道的一端或两端修饰上聚合物或单层刺激响应性分子来构筑人工门，存在着一定的缺陷：如离子通量小，小孔端的直径限制在大约20纳米，对于离子泵体系：离子只能单向传输，不能选择性地控制阳离子或阴离子的传输方向。为了克服这些缺陷，我们将首次基于刺激响应性DNA凝胶制备新型的仿生离子通道和离子泵，提高离子通量和整流比，打破传统的离子通道孔径小的局限，系统地实现离子泵的三个特殊的离子传输特性及实现选择性地控制阳离子或阴离子的传输方向。另外，制备的新型纳米通道也可用于生物传感领域，实现血液中葡萄糖的灵敏检测。

目前已报道的仿生离子通道和离子泵都是在纳米通道的一端或两端修饰上聚合物或单层刺激响应性分子来构筑人工门，存在着一定的缺陷：如离子通量小，小孔端的直径限制在大约20纳米，对于离子泵体系：离子只能单向传输，不能选择性地控制阳离子或阴离子的传输方向。为了克服这些缺陷，本项目将亲水的带负电的DNA凝胶三维网络修饰到纳米通道的小孔端制备了新型的仿生离子通道和离子泵，首次将空间电荷的概念引入到纳米通道，实现了离子整流和离子通量之间的有效平衡。并通过协同控制离子泵两端的DNA凝胶形态和溶液pH，实现了通道中阳离子或阴离子传输方向的任意调节；为了进一步提高离子通量，将小孔端直径增加到了400纳米，首次在亚微米通道内实现了离子传输的连续调控，打破了传统的离子通道孔径小的局限。将两种聚合物通过共价键结合的方式层层组装到亚微米通道内，通过控制聚合物组装的层数来实现离子整流和传导的调控。由于采用的聚合物具有温度响应性，在组装了聚合物的通道内进一步控制温度，实现了分子的可控释放，为药物可控传递的研究提供了新的思路。在仿生纳米通道内离子和分子可控传输研究的基础上，通过控制耐药肿瘤细胞膜上蛋白泵的分子传输，实现了耐药肿瘤的实时监控和有效治疗。另外，模仿人体的肺道，构建了一种仿生肺气道模型来研究空气污染物对肺炎的致病机制。在氧化铝纳米通道表面原位培养肺泡细胞，对通道进行疏水处理，使有毒气体能够直接穿过通道与细胞接触，刺激细胞产生炎症响应。有效解决了气体溶解度低的问题，提高了分析的灵敏度。本项目促进了智能纳米通道器件在生物医学中的实际应用。项目资助共发表高水平论文13篇,培养毕业硕士生2名。项目投入经费25万元，支出25万元，各项支出基本与预算相符。