文章亮点

1. 在这项研究中,作者报告了一种合成的分子机器状离子转运中继器,其中脂质双层膜两侧的转运蛋白通过在它们之间传递离子来促进转运。

2. 作者通过将光响应伸缩臂结合到继电器设计中,该过程可根据蓝光和绿光的照射进行可逆控制。只有当臂的长度足以通过位于膜两侧的转运蛋白之间的阴离子时,转运才会发生在伸展状态。

3.作者的这项工作指出了使用脂质双层膜作为支架来限制、定向和控制分子机器的相对位置的新前景,从而使多个组件能够协同工作并在生物环境中开辟新的应用。

背景介绍

离子的跨膜转运是生物学中的一个基本过程,由膜通道和泵介导。这些转运蛋白的活性受外部刺激的调节,包括光子、小分子结合和膜电位。合成离子转运蛋白(如自组装离子通道和移动离子载体)的开发引起了极大的兴趣,它们既可以作为研究跨膜离子转运的基本工具,也可以作为蛋白质离子通道失调引起的疾病的潜在治疗方法。刺激响应合成转运蛋白,作为其蛋白质对应物的人工类似物,在时空靶向应用中具有潜在用途,但仍然相对罕见。合成通道和移动离子载体,可以在非活性和活性状态之间切换,对于实现对离子传输的可逆、刺激响应控制是非常可取的,但开发起来特别具有挑战性。虽然超分子离子转运体领域主要由通道和移动载体主导,但新的传输机制已经出现。这些包括阴离子继电器和基于分子机器的最新系统,包括跨膜轮烷、分子马达、和分子摆动。在这些系统中,组件的纳米机械运动单个分子机器(例如,沿着轮烷的轴来回移动的大环或分子摆动的枢转)用于促进离子传输。将刺激响应的人工分子机器限制在脂质双层内还提供了控制多个单独组件的相对方向和位置的可能性,类似于将分子机器锚定在表面上。这开辟了设计分子机器的强大概念,其功能可以以刺激响应的方式进行控制,并且多个组件必须以协作的方式协同工作才能执行任务。然而,据作者所知,尚未使用膜内的合成分子机器探索这一概念。在这里,作者使用具有长度可控的伸缩臂的分子阴离子受体证明了这一概念,该伸缩臂放置在脂质双层膜的两侧,以形成阴离子转运中继(图 1)。这些臂的长度的光调节用于控制中继过程,使得传输仅在伸展状态下发生,此时臂的长度足以在它们之间传递阴离子。类似机器的中继运输车的集合让人想起工厂装配线上的机械臂,其中需要多个组件一起工作。

图文速读

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图1 光响应跨膜继电器的示意图。继电器通过收缩或伸展位于膜两侧的分子机器状转运体的伸缩臂来控制。当缩回时,阴离子结合臂不能在它们之间交换离子(关闭状态)。在光照射下,转运臂延伸,促进位于膜相对侧的转运蛋白之间的离子中继(开启状态)。

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图2 光响应中继转运体和控制化合物。离子传输继电器 1,处于伸展 (E) 和收缩 (Z) 状态,以及控制化合物 2。

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图3 中继阴离子传输。

(A) 将 NaOH 碱脉冲 (5 mM) 添加到含有 1 mM HPTS, 100 mM 内部和外部 NaCl,在 pH 7.0 下用 10 mM HEPES 缓冲。

(i) LUV 制备过程中预掺入的 1E 数据(相对于脂质为 5 mol%)和

(ii) 在 DMSO 中外部添加 5 mol% 1E 后的数据(~90% 膜掺入效率)。

(B) 中继活动的浓度依赖性与预结合的 1E(左)和初始速率的线性关系,kini 与 [1E]2(右)。

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图4

(A) 1E 对膜胆固醇负载的转运依赖性(相对于 POPC 脂质为 5 mol%)。

(B) 转运初始速率 kini 对脂质膜厚度的依赖性。

(C) 1E不对称加载到 POPC LUV 的内外小叶上。在 LUV 制备过程中,通过预先加入 5 或 10 mol % 1E 实现了对称加载(分别为黑色和绿色数据)。通过将 DMSO 中的另外 5 mol% 1E 添加到负载 5 mol% 1E的预成型囊泡中,实现了外页 3:1 过量 1E(紫色数据,~90% 掺入效率)。测定条件如图 3 所示。

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图 5 离子传输中继活动的可逆光开关。

(A) 光开关继电器的示意图。

(B) POPC LUV 中 95% 1E(绿色)和 84% 1Z PSS(蓝色)的紫外-可见光谱;插图:用 530/405 nm 光连续照射循环后在 330 nm 处的吸收。

(C) 富含 1E 和  1Z  的 PSSs 的离子传输是由 1 在 LUV 中的原位光异构化产生的,分别为 405 和 530 nm。

(D) 对于原位光异构化产生的富含 1E 和  1Z的 PSS,kini 对 [1]2 的线性依赖性。

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图6 中继传输器长度对光开关传输的影响。

(A) 较长的转运蛋白 3 和 4 的化学结构。

(B) 5 mol % 预掺入 3 和 4 的离子转运,原位光开关和 5 mol % 4E 后外部添加(蓝色)。 

(C) 4Z 和 4E 中继传输的示意图。

结论与展望

总之,作者团队已经证明,通过调节位于膜两侧的中继组件的长度,光可切换中继机制控制阴离子跨脂质双层膜的转运。分子机器状的伸缩臂通过使用可见光的光异构化可逆地延长和收缩。这提供了一种调节离子传输过程的机制,因为有效传输仅发生在伸展状态下,其中伸缩臂的长度足以让阴离子在它们之间穿过并穿过双层。至关重要的是,为了调解传输过程,需要两个中继组件协同工作。作者的这项工作表明,将人工分子机器的集合限制在膜内提供了一种强有力的方法来控制它们的相对位置和方向,从而获得分子多个组件协同工作的类似机器的系统。这种方法可能是将分子机器的纳米机械运动转化为生物环境中有用功能的有效方法。