Angew. Chem. Int. Ed.：江雷院士-基于DNA的仿生光控离子传输通道

【引言】

在众多纳米器件中，光响应器件因其可以将光信号转化为各种有用的输出信号而受到广泛关注。光响应器件响应时间短且具有可逆性，使其可以快速有效地在不同状态间相互转换。光电开关最引人注目和最具挑战的一个应用是基于通道控制。自然界中存在的视网膜紫质通道就是一种光控阳离子通道。除了直接利用这种通道，研究人员也已经利用光致变色分子改性制备出了光响应生物瓣膜。但是这种光敏生物瓣膜比较脆弱，很难适应外部环境的变化，限制了它们的应用。为解决这一问题，研究人员又研发出了具有可控物理化学性能的固态纳米通道，而目前已有的固态纳米通道生物相容性差、功能性少，限制了他们在众多领域的应用。利用DNA的双重构造的超分子性能，研究人员已经设计出了多种DNA纳米结构和纳米器件。因此，将DNA技术与光响应通道结合起来直接控制离子传输成为光控纳米通道的新途径。

【成果简介】

最近，中科院理化技术研究所&北航的江雷院士，理化所的闻利平研究员和Kong XiangYu（共同通讯作者）等人利用含偶氮苯的DNA（Azo-DNA）束的自组装，研发了一种可用于控制离子传输的光控纳米通道。在可见光和紫外光的分别作用下，偶氮苯发生了构象间的相互转化，实现了DNA的收缩和放松状态的光控转换，从而实现通道的打开与关闭，因此Azo-DNA可以被用作制备光控阀门的控制单元。Azo-DNA通道可以在可见光（450nm）的照射下打开，然后在紫外线（365nm）的照射下关闭。通过对荧光团以及磺基-罗丹明B分子的释放实验，验证了这种DNA纳米通道具备光控分子传输性能。除了响应时间短、具有可逆性之外，Azo-DNA纳米通道系统还具有良好的生物相容性和多功能设计，可以被用在光控药物释放、光信息存储和逻辑网络等方面。

[致歉：文中通讯作者之一的Kong XiangYu的确切中文名未能找到，在此小编表示诚挚的歉意！]

【图文简介】

图1 Azo-DNA和PET纳米通道的表征

a,b）Azo-DNA在不同波长光的照射下不同构象的吸收光谱和园二色性谱；可以看出，吸收峰在330nm之后显著下降，表明顺式异构体形成，而反式异构体减少。随着偶氮苯的异构化，任意单独存在的DNA束转换成了光响应双重簪式结构 。

c）配体固定前后PET膜的光电子能谱；改性之后，出现了新的P2p、P2s和N1s的峰，表明5’-硫醇封端的DNA束被成功接枝到喷金表面上。

d）纳米通道改性前后的电导率；电导率的窄分布证明了这种DNA纳米器件的稳定性。改性后的纳米通道的离子电导率比未改性的降低了143倍，表明Azo-DNA改性成功。

图2 Azo-DNA纳米通道的光响应性能

a,c）不同光照下纳米通道在稳定电压（-1V）时具有代表性的传输电流轨迹；可见光照射导致的开放状态下，离子电导率增加到24.58±0.02nS，而紫外线照射导致的关闭状态下的离子电导率降低到3.36±0.01nS。

b,d）电压从-1V到+1V时的电流轨迹；

e）不同光照下纳米通道的不同状态间的转换；在可见光照射下，DNA束的簪式结构有效直径增加，因此得到一个大的流动比率（≈3.2），而在紫外线照射下，任意单独存在的DNA束的有效直径减小，流动比率变小（≈1.1）。光异构化的循环过程中没有出现任何衰减。

图3 Azo-DNA纳米通道用于调节小分子的释放

a）DNA纳米通道在偶氮苯的不同构象下对荧光团分子的传输；

b）未改性的纳米通道和DNA纳米通道对荧光团的释放比例图；

c）纳米通道传输示意图；

由于紫外线照射导致通道关闭，对分子的释放量很小，而可见光照射时，通道开放，对分子的释放量增多。可见光和紫外光对未改性纳米通道的分子释放行为没有任何影响，而Azo-DNA纳米通道在可见光和紫外光分别照射时的分子释放行为明显不同，说明DNA系统可以成功由光控制。

【小结】

江雷教授等人通过将可光切换的Azo-DNA束整合到纳米多孔的PET薄膜上，成功研发出了能够光控和按需传输分子的功能性纳米通道。通过对DNA束上偶氮苯的光稳态进行转换， Azo-DNA改性的纳米多孔体系能够达到可逆且循环使用。通过磺基罗丹明B，验证了这种结构所具有的光控分子传输性能。基于以上结果，这种生物相容的DNA光控纳米通道可以被用于光控药物释放和其他各种生物技术应用方面。

通讯作者简介

江雷，纳米材料专家，无机化学家。中国科学院院士，国家纳米中心首席科学家，中科院化学研究所研究员，中科院理化技术研究所研究员，北京航空航天大学化学与环境学院院长，第三世界科学院院士，美国工程院外籍院士。博士生导师，曾任日本神奈川科学院研究员，主要从事仿生智能超浸润界面材料的研究工作。迄今发表SCI论文500余篇，被引用35000余次，H因子为87。已获发明专利授权70余项。现兼任英国皇家化学学会会士，《Small》国际顾问编委会主席、《材料科学》副主编、《Adv. Funct. Mater.》、《Acs Nano》、《Adv. Mater. Interfaces》等杂志的编委。（此信息来源于360百科以及中科院理化技术研究所官网）

闻利平，物理化学博士学位，师从江雷院士，现任中国科学院理化技术研究所研究员。主要从事低维纳米通道膜材料的制备及应用方面的研究工作。目前发表相关方面的高水平的研究论文四十余篇，其中通讯或第一作者Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇和Adv. Mater. 7篇，有5次被选为期刊封面，研究成果被多家期刊或媒体做为亮点介绍。

文献链接：Light-Controlled Ion Transport through Biomimetic DNA-Based Channels（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201609161）

本文由材料人编辑部生物材料组Lynn供稿，材料牛编辑整理。

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