Adv. Mater. 北航：仿生平滑肌细胞的一氧化碳调控离子纳米通道

【引言】

众所周知，一氧化碳（CO）是一种有毒气体。然而，一氧化碳在生命体的神经活动中也是一种重要的气体生理信号。例如，一氧化碳和亚铁血红素就有紧密的关系。当一氧化碳在体内产生时，将会与亚铁血红素作用，改变亚铁血红素和氨基酸之间的相互作用，从而对一氧化碳进行抑制清除。一氧化碳的这种产生和清除过程，将在神经反应中激活/关闭钙、钾离子通道，从而进一步调节平滑肌细胞的舒张和收缩。同时，很多疾病，包括神经退行性变，炎症等都和一氧化碳的功能异常有着紧密的联系。

【成果简介】

受到一氧化碳在生命体中调节机制的启发，北京航空航天大学翟锦教授、高龙成副教授（共同通讯作者）团队首次应用这种生物原理构建了一氧化碳调控的离子纳米通道。利用PEI膜制备了用于离子传输的不对称圆锥体纳米通道，由于表面含有丰富的羧基基团，使纳米通道表面呈现负电性，这样表面负电性的纳米通道可以使像钾、钠等离子通过。进一步在通道内表面修饰了亚铁卟啉，由于亚铁卟啉与羧基基团之间的相互反应，中和了纳米通道表面电荷，使离子传输受到亚铁卟啉的抑制。而一氧化碳的通入就会起到调节的作用，就像在细胞内的调控一样。一氧化碳和亚铁卟啉相互作用，并且释放纳米通道表面的羧基基团，导致通道开关打开；接下来，加入亚甲蓝（MB）移除与亚铁卟啉结合的一氧化碳，表面改变为中性，使得处于通道关闭状态。同时PNP理论（泊松能斯特-普朗克理论）模拟也很好地说明了一氧化碳对离子纳米通道的调控。这种一氧化碳调控的离子纳米通道系统具有可逆性并且响应快，可以用于生物传感，质子泵，能量转化系统等，有希望应用于纳米智能器件。

【图文导读】

图1 一氧化碳调控离子传输的示意图

（a）一氧化碳调控离子在细胞膜之间传输的示意图，一氧化碳引起细胞产生信号，并导致传输开关的开-关。

（b）一氧化碳激活的离子纳米通道的过程。一氧化碳和亚铁卟啉相互作用并且释放纳米通道表面的羧基集团，导致通道开关打开；接下来，加入亚甲蓝（MB）移除一氧化碳，亚铁卟啉再次与羧基集团并且表面改变为中性，使得通道关闭。

图2 离子纳米通道修饰亚铁卟啉前后的伏安曲线

方形点为修饰之前，圆点为修饰之后。原始的纳米通道表面是负电荷的， 修饰亚铁卟啉之后，表面呈现中性。

图3 通入一氧化碳前后离子纳米通道的伏安曲线的变化

（a）修饰亚铁卟啉的离子纳米通道的在一氧化碳作用下伏安曲线的变化

（b）没有修饰亚铁卟啉的离子纳米通道的在一氧化碳作用下伏安曲线的变化

（c）修饰前后离子纳米通道在一氧化碳作用下离子比值

（d）控制比率：展示了亚铁卟啉修饰的纳米通道被一氧化碳打开

图4 离子纳米通道的可逆性表征

（a）一氧化碳通入，加入亚甲蓝以及亚铁卟啉修饰的原始纳米通道的伏安曲线对比。这个纳米系统展示了很好的开关可逆性。

（b）可逆的离子纳米通道中离子电流随着一氧化碳的通入和亚甲蓝的加入变化。

图5 一氧化碳对离子纳米通道的可调控性理论模拟

(a) 模拟的一氧化碳通入前后纳米通道的伏安曲线，这个模拟结果与实验的结果是一致的，模拟模型基于泊松能斯特-普朗克公式。

(b) 当外电压施以-2v-2v时，一氧化碳通入前后纳米通道中电压的分布。在通入一氧化碳之前，电压分布是均匀的。一氧化碳通入后，电压分布不再均匀。表面的负电荷对电压的分布起到关键的作用，导致阳离子和阴离子的不均匀分布。

(c) 纳米通道中阳离子浓度在通入一氧化碳前后在电压为-2V下的分布。

(d) 纳米通道中阳离子浓度在通入一氧化碳前后在电压为2V下的分布。

文献链接 ：Smooth Muscle Cell-Mimetic CO-Regulated Ion Nanochannels (Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201603478)

本文由材料人生物材料小组AntiLy供稿，材料牛编辑整理。

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