细胞膜是外界物质进入细胞的生物学屏障，将分子、离子精准有效地递送至细胞内部进而改变细胞生理状态, 对研究疾病发生发展机制以及开发潜在治疗方法具有重要的理论意义和应用价值。近日，我校化学与分子工程学院钱若灿副教授与德克萨斯大学奥斯汀分校陆艺教授合作，在人工跨膜调控与动态监测领域取得了突破性进展，通过超微玻璃电极构建内壁性质可调的人工跨膜通道，建立了跨膜传递动态调控与监测新体系，相关成果以“Rectifying Artificial Nanochannels with Multiple Interconvertible Permeability States”为题发表于《自然-通讯》。（Nat. Commun2024, DOI: 10.1038/s41467-024-46312-w）。
此前发展的跨膜传递方法大多侧重于治疗，如基于脂质体囊泡、纳米颗粒的药物递送，在跨膜过程的精细调控与动态监测方面有很大局限性。因此，本工作设计了一种基于超微玻璃电极的人工纳米通道，将金属离子特异性激活 DNAzyme修饰在玻璃电极内壁，构建了一种内壁物化性质可调的人工仿生跨膜通道，并通过电流-电压曲线对跨膜传递进行实时动态监测。通过金属离子和DNAzyme末端基团调节人工纳米通道内壁表面的润湿性和电荷，结合超微电化学信号实时监测以及荧光显微成像，成功实现了人工跨膜通道在不同渗透状态之间的可逆转换与实时动态监测。人工跨膜通道具有四种不同的渗透状态(状态1: 疏水、负电; 状态2: 亲水、负电; 状态3: 疏水、正电; 状态 4: 亲水、正电)，对于具有不同亲疏水性、不同电荷的功能分子，其在不同渗透状态下的跨膜传递效率具有明显区别。将人工跨膜通道嵌入单个活细胞膜，通过改变通道的渗透状态，可以实现不同染料分子的选择性跨膜递送，并通过电化学信号和荧光成像进行实时动态分析。
此外，利用建立的人工跨膜通道还可以实现单个活细胞水平的基因沉默和Ca2+选择性跨膜转运，相关跨膜传递动态过程可通过超微电化学/荧光成像进行实时监测，为细胞跨膜传递动态监测体系的设计提供了一种新的解决思路。
该研究工作由化学学院博士研究生吴漫莎在钱若灿副教授和陆艺教授指导下完成。论文的共同第一作者为钱若灿副教授和吴漫莎，共同通讯作者为钱若灿副教授和陆艺教授。该工作得到了化学学院李大伟教授的指导和帮助，并得到了结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心的支持以及国家自然科学基金、国家科技重大专项等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46312-w