Nature子刊：一种由DNA组成的可逆门控蛋白质运输膜通道

图片:图示活细胞膜的双层结构，由磷脂组成。磷脂由亲水或亲水的头部和疏水或怕水的尾部组成。疏水尾部夹在两层亲水头部之间。在中心，显示了一个通道，允许生物分子的运输。这项新研究描述了一种制造人工通道的方法，将DNA片段插入细胞膜，允许包括离子和蛋白质在内的各种货物可逆运输。
资料来源:亚利桑那州立大学生物设计研究所

正如各国跨越国界进口大量消费品一样，活细胞也从事着活跃的进出口业务。它们的入口是嵌入在细胞保护膜中的复杂的运输通道。调节哪些货物可以通过细胞的两层膜形成的边界，对细胞的正常运作和生存至关重要。

在一项新的研究中，亚利桑那州立大学教授郝燕(音译)和亚利桑那州立大学的同事以及伦敦大学学院的国际合作者描述了人工膜通道的设计和构建，这些通道使用了DNA的短片段。DNA结构的行为方式很像天然的细胞通道或气孔，提供离子、蛋白质和其他货物的选择性运输，具有天然通道无法提供的增强特性。

这些创新的DNA纳米通道可能有一天会应用于不同的科学领域，从生物传感和药物输送应用到能够自主捕获、浓缩、存储和输送微观货物的人工细胞网络的创建。

“许多生物孔和通道都有可逆性门控，允许离子或分子通过，”严说。在这里，我们模拟这些自然过程来设计DNA纳米孔，可以根据外部“钥匙”或“锁”分子的反应来锁定和打开。

严教授是亚利桑那州立大学Milton D. Glick化学和生物化学杰出教授，并指导分子设计和仿生学生物设计中心。他也是亚利桑那州立大学分子科学学院的教授。

这项研究结果发表在最新一期的《自然通讯》杂志上。

所有活细胞都被一种独特的生物结构——细胞膜包裹着。这种膜的科学术语是磷脂双分子层，意思是这种膜是由附着在脂肪或脂类成分上的磷酸盐分子形成的，形成内外膜层(见上图)。

这些内外膜层有点像房间的内墙和外墙。但与普通的墙壁不同的是，内外表面之间的空间是流动的，像大海一样。此外，据说细胞膜是半透性的，允许指定的货物进出细胞。这种运输通常发生在过境货物与另一个分子结合时，改变通道结构的动力学，允许进入细胞，有点像巴拿马运河的开放。

半透性细胞膜是保护细胞内敏感成分不受外界恶劣环境影响的必要条件，同时允许离子、营养物质、蛋白质和其他重要生物分子的转运。

包括颜宁在内的研究人员已经探索了利用DNA纳米技术合成选择性膜通道的可能性。基本思想很简单。的双股DNA的遗传蓝图所有生物体通过分子的碱基配对在一起的4个核苷酸,贴上,T, C和g .应用一个简单的规则,即核苷酸总是与T、C与g .因此,DNA片段与CAAGAGC ATTCTCG将形成一个互补链。

DNA碱基配对可以合成一个几乎无限的阵列或2- d和3-D纳米结构。通常在计算机的帮助下，一旦一个结构被精心设计，DNA片段就可以混合在一起，并在溶液中自我组装成所需的形式。

然而，使用DNA纳米技术创建一个半渗透的通道已经被证明是一个令人烦恼的挑战。传统技术无法复制天然膜通道的结构和能力，而合成DNA纳米孔通常只允许单向运输货物。

这项新研究描述了一种创新的方法，允许研究人员设计和构建一个合成膜通道，其孔径允许运输比天然细胞通道更大的货物。与以往将DNA纳米孔贴附在膜上的努力不同，这项新技术逐步构建通道结构，方法是将组成DNA片段相对于膜水平组装，而不是垂直组装。该方法允许构建具有更宽开口的纳米孔，允许运输更大范围的生物分子。

此外，DNA设计允许通道通过带有锁和钥匙机构的铰链盖选择性地打开和关闭。这些“钥匙”由特定序列的DNA链组成，这些DNA链与通道的盖子结合，并触发通道的打开或关闭。

在一系列的实验中，研究人员证明了DNA通道能够成功地运输不同大小的货物，从微小的染料分子到折叠的蛋白质结构，有些比天然膜通道的孔隙尺寸还大。

研究人员使用原子力显微镜和透射电子显微镜来观察得到的结构，确认它们符合纳米结构的原始设计规范。

荧光染料分子被用来验证DNA通道成功地穿透并插入细胞的脂质双分子层，成功地提供了运输分子的选择性进入。运输操作在通道形成后的1小时内完成，这比以往的DNA纳米孔需要5-8小时才能完成生物分子的运输有了显著的改进。

DNA纳米通道可用于捕获和研究蛋白质，并密切检查其与生物分子的相互作用，或研究蛋白质的快速和复杂的折叠和展开。这种通道还可以用于对进入细胞的生物分子进行细粒度控制，为靶向药物输送提供了一个新的窗口。自定义设计人工的、自组装的传输通道的新能力可能会产生许多其他可能的应用。