Adv. Mater. 北航：仿生平滑肌細胞的一氧化碳調控離子納米通道

【引言】

眾所周知，一氧化碳（CO）是一種有毒氣體。然而，一氧化碳在生命體的神經活動中也是一種重要的氣體生理信號。例如，一氧化碳和亞鐵血紅素就有緊密的關系。當一氧化碳在體內產生時，將會與亞鐵血紅素作用，改變亞鐵血紅素和氨基酸之間的相互作用，從而對一氧化碳進行抑制清除。一氧化碳的這種產生和清除過程，將在神經反應中激活/關閉鈣、鉀離子通道，從而進一步調節平滑肌細胞的舒張和收縮。同時，很多疾病，包括神經退行性變，炎癥等都和一氧化碳的功能異常有著緊密的聯系。

【成果簡介】

受到一氧化碳在生命體中調節機制的啟發，北京航空航天大學翟錦教授、高龍成副教授（共同通訊作者）團隊首次應用這種生物原理構建了一氧化碳調控的離子納米通道。利用PEI膜制備了用于離子傳輸的不對稱圓錐體納米通道，由于表面含有豐富的羧基基團，使納米通道表面呈現負電性，這樣表面負電性的納米通道可以使像鉀、鈉等離子通過。進一步在通道內表面修飾了亞鐵卟啉，由于亞鐵卟啉與羧基基團之間的相互反應，中和了納米通道表面電荷，使離子傳輸受到亞鐵卟啉的抑制。而一氧化碳的通入就會起到調節的作用，就像在細胞內的調控一樣。一氧化碳和亞鐵卟啉相互作用，并且釋放納米通道表面的羧基基團，導致通道開關打開；接下來，加入亞甲藍（MB）移除與亞鐵卟啉結合的一氧化碳，表面改變為中性，使得處于通道關閉狀態。同時PNP理論（泊松能斯特-普朗克理論）模擬也很好地說明了一氧化碳對離子納米通道的調控。這種一氧化碳調控的離子納米通道系統具有可逆性并且響應快，可以用于生物傳感，質子泵，能量轉化系統等，有希望應用于納米智能器件。

【圖文導讀】

圖1 一氧化碳調控離子傳輸的示意圖

（a）一氧化碳調控離子在細胞膜之間傳輸的示意圖，一氧化碳引起細胞產生信號，并導致傳輸開關的開-關。

（b）一氧化碳激活的離子納米通道的過程。一氧化碳和亞鐵卟啉相互作用并且釋放納米通道表面的羧基集團，導致通道開關打開；接下來，加入亞甲藍（MB）移除一氧化碳，亞鐵卟啉再次與羧基集團并且表面改變為中性，使得通道關閉。

圖2 離子納米通道修飾亞鐵卟啉前后的伏安曲線

方形點為修飾之前，圓點為修飾之后。原始的納米通道表面是負電荷的， 修飾亞鐵卟啉之后，表面呈現中性。

圖3 通入一氧化碳前后離子納米通道的伏安曲線的變化

（a）修飾亞鐵卟啉的離子納米通道的在一氧化碳作用下伏安曲線的變化

（b）沒有修飾亞鐵卟啉的離子納米通道的在一氧化碳作用下伏安曲線的變化

（c）修飾前后離子納米通道在一氧化碳作用下離子比值

（d）控制比率：展示了亞鐵卟啉修飾的納米通道被一氧化碳打開

圖4 離子納米通道的可逆性表征

（a）一氧化碳通入，加入亞甲藍以及亞鐵卟啉修飾的原始納米通道的伏安曲線對比。這個納米系統展示了很好的開關可逆性。

（b）可逆的離子納米通道中離子電流隨著一氧化碳的通入和亞甲藍的加入變化。

圖5 一氧化碳對離子納米通道的可調控性理論模擬

(a) 模擬的一氧化碳通入前后納米通道的伏安曲線，這個模擬結果與實驗的結果是一致的，模擬模型基于泊松能斯特-普朗克公式。

(b) 當外電壓施以-2v-2v時，一氧化碳通入前后納米通道中電壓的分布。在通入一氧化碳之前，電壓分布是均勻的。一氧化碳通入后，電壓分布不再均勻。表面的負電荷對電壓的分布起到關鍵的作用，導致陽離子和陰離子的不均勻分布。

(c) 納米通道中陽離子濃度在通入一氧化碳前后在電壓為-2V下的分布。

(d) 納米通道中陽離子濃度在通入一氧化碳前后在電壓為2V下的分布。

文獻鏈接 ：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組AntiLy供稿，材料牛編輯整理。

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