發(fā)布時間：2020-12-09 10:30

　　探索生物大分子和小分子的構(gòu)象以及它們在外界環(huán)境中的響應(yīng)和作用規(guī)律對理解有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系十分重要。納米孔作為新興的第三代單分子基因測序技術(shù),可以實時監(jiān)測待測物分子的構(gòu)象變化過程,在單分子檢測及核酸和蛋白測序方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高檢測的分辨率和精確度,可以采用光電聯(lián)合檢測方法,通過引入光響應(yīng)分子以滿足更高的檢測需求。本文綜述了目前納米孔器件的研究進(jìn)展以及代表性光響應(yīng)分子在納米孔檢測系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用,主要介紹了偶氮苯及其衍生物、螺吡喃和二芳基乙烯三類光響應(yīng)分子分別在生物孔和固態(tài)孔中的光響應(yīng)性能。光調(diào)控是一種操作簡捷有效的分子結(jié)構(gòu)監(jiān)控方式,其與納米孔檢測技術(shù)的結(jié)合在單分子識別方面的應(yīng)用潛力對多功能納米器件的設(shè)計與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。 

【文章來源】：分析化學(xué). 2020年11期 第1458-1466頁 北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

偶氮苯及其衍生物分子的光致異構(gòu)示意圖

主客體體系是偶氮苯及其衍生物在光控納米器件應(yīng)用中的經(jīng)典設(shè)計,可調(diào)控離子通道的開關(guān)[29～31],超分子自組裝[32,33]以及改變生物大分子的構(gòu)象[34]等,環(huán)糊精(CD)和葫蘆脲(CB[n])可作為偶氮苯及其衍生物的主體分子[35,36]。生物系統(tǒng)中離子通道的開關(guān)狀態(tài)受配體、pH值及電位等因素的影響,對于體外實驗,單分子級別的人為調(diào)控對實驗條件要求較高,而在納米孔中引入光響應(yīng)分子有望實現(xiàn)這一目標(biāo),并且在納米陣列中亦有很大的應(yīng)用潛力。固態(tài)納米孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,易于進(jìn)行表面功能化, 以優(yōu)化性能[37]。 Xie等[38]通過在聚酰亞胺(PI)納米孔表面修飾偶氮苯調(diào)控納米孔的開關(guān)狀態(tài)(圖2),利用偶氮苯與β-環(huán)糊精(β-CD)的主客體反應(yīng),改變納米孔表面的親疏水性,從而使納米孔在非導(dǎo)電和導(dǎo)電狀態(tài)之間切換。該系統(tǒng)不僅具有光響應(yīng)性,還具有電壓調(diào)控性,當(dāng)非導(dǎo)電納米孔兩側(cè)的電壓達(dá)到極限值(2.6 V)時,納米孔切換為導(dǎo)電狀態(tài),該模型特有的光響應(yīng)性和電壓調(diào)控性有助于研究和操縱納米約束環(huán)境下的水行為。此外,納米孔器件的功能化常受到分子馬達(dá)的啟發(fā),如在可見光作用下,細(xì)菌視紫紅質(zhì)質(zhì)子泵系統(tǒng)將質(zhì)子從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外,完成跨膜運輸(圖3A)。Xie等[39]模擬該生物質(zhì)子泵設(shè)計了一個仿生光驅(qū)動大通量運輸系統(tǒng)(圖3B),修飾有偶氮苯的PI納米孔經(jīng)光調(diào)控使表面親疏水性發(fā)生變化,處于納米孔限域空間的偶氮基團(tuán)在可見光和紫外光的循環(huán)照射下,構(gòu)象連續(xù)反轉(zhuǎn),將積累在通道中的分子排出,其疏水性只允許β-CD通過納米孔,所展現(xiàn)的高選擇性在藥物傳遞中有潛在的應(yīng)用價值。除了將偶氮苯修飾在納米孔表面外,Liu等[40]在PI納米孔內(nèi)修飾了β-CD,制備了基于主客體系的光調(diào)控納米流體二極管(圖4),通過調(diào)節(jié)pH值實現(xiàn)高精度整流,具有不同表面性質(zhì)和狀態(tài)的納米通道為光敏納米流體器件和藥物傳輸與釋放提供了一個新的納米流體平臺。圖3 (A) 細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光驅(qū)動質(zhì)子泵系統(tǒng)及視網(wǎng)膜分子的光異構(gòu)化[38]; (B) 光調(diào)控納米孔運輸系統(tǒng)及偶氮苯與β-CD的主客反應(yīng)[39]

Fragaceatoxin C(FraC)是一種來自Actinoporins蛋白的毒素,可在富含鞘磷脂受體的細(xì)胞表面自組裝為α-螺旋納米通道[48],內(nèi)部收縮區(qū)僅為1.2 nm,但與α-HL和AeL納米孔不同的是,在高電位下,FraC 納米孔α-螺旋跨膜區(qū)的形變允許dsDNA易位[49]。FraC納米孔可調(diào)節(jié)孔徑,這使其可以識別溶液中單個肽的質(zhì)量,并且對蛋白質(zhì)進(jìn)行實時測序,可用于生物樣品的蛋白質(zhì)組學(xué)表征[50,51]。光響應(yīng)分子的引入可以指導(dǎo)FraC在脂質(zhì)雙層膜上的自組裝,Mutter等[14]在FraC(azo-FraC)與鞘磷脂的結(jié)合位點附近的不同位置修飾了偶氮苯衍生物,以光作為外部觸發(fā)因素,可逆地控制FraC在脂質(zhì)雙層膜上的聚集,在紫外光照射下, cis-azo指導(dǎo)FraC與鞘磷脂的結(jié)合,甚至可以取代鞘磷脂使FraC在細(xì)胞膜上形成納米通道; 而在可見光照射下, FraC失活(圖8),這種光激活FraC可作用于多種富含鞘磷脂的真核細(xì)胞,在光激活腫瘤治療中具有應(yīng)用潛力,可控制非活性毒素在照射腫瘤部位局部激活,用白光照射腫瘤周圍的區(qū)域使其再次失活,并且光調(diào)控納米孔自組裝的能力也為降低納米孔陣列制造的復(fù)雜性提供了參考。3 其它光響應(yīng)分子的應(yīng)用

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]生物納米孔道技術(shù)在非基因測序方面的研究與應(yīng)用[J]. 楊潔,李爽,武雪原,龍億濤.  分析化學(xué). 2017(12)
[2]Single-molecule analysis in an electrochemical confined space[J]. Yi-Lun Ying,Yi-Tao Long.  Science China(Chemistry). 2017(09)



本文編號：2906734