华东理工大学包春燕教授课题组近年来工作概览

包春燕教授简介：

包春燕，华东理工大学化学与分子工程学院教授，博士生导师。2006年6月于吉林大学化学学院获得理学博士学位，导师刘国发、赵英英教授。2006年9月至2008年8月在法国波尔多第一大学欧洲化学与生物研究所（IECB）从事博士后研究工作，合作导师Ivan Huc教授。2008年9月到2013年8月，华东理工大学副教授，2013年9月至今，华东理工大学教授。截止目前，主持了基金委青年、面上项目、上海市科委面上项目、上海市教委/科委等人才项目。已在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Adv. Mater.、Sci. Chin. Chem.等国际著名期刊上发表SCI论文100余篇，总引用达4000余次，H因子38。曾获得上海市教委晨光学者称号（2009 年度）、上海市科委的启明星（2010年度）称号。

包春燕教授主要从事智能生物材料的研究，针对材料与细胞表界面的关键科学问题，开展调控水凝胶生物材料表界面和仿生细胞膜表界面功能化上的创新研究。本文将概述包春燕教授课题组近年来在仿生细胞膜上离子跨膜传输和信号转导领域的主要工作进展。

（一）分子水平调控磷脂囊泡和原始细胞的仿生形成 

尽管地球早在35亿到40亿年前就出现了生命，但对于生命如何在原始环境出现，人们至今还没有一个清楚的认识。其中，为了模拟细胞膜动态形成过程，人们尝试利用各种化学反应去原位生成磷脂分子，随后通过自发形成囊泡去模拟原始细胞膜的形成。受细胞通过酶催化合成磷脂分子启发，该课题组提出利用邻硝基苄基光偶联反应来实现磷脂分子的原位合成并自发形成仿生细胞膜（Chem. Sci. 2021, 12, 3627-3632）。具体以溶鞘磷脂（Lyso）和2-硝基苄基醇衍生物（NBs）作为前驱体，两亲性的Lyso与疏水性NBs形成自组装聚集体，反应基团在空间上的拉近为接下来的光偶联反应提供有利条件。光照后，NBs产生活性醛基，从而与邻近的Lyso上的氨基发生高效、特异性亚胺偶联反应，原位生成磷脂分子，再经过自发组装得到仿生囊泡。前体分子的预组装减少了光偶联反应过程中副产物的生成，使其不受水溶液pH和共存生物分子的影响，在光的刺激下形成囊泡。酶的成功包裹和基于葡萄糖转运的GOX-HPR酶级联反应的发生证明光生囊泡可用作生物反应器。该团队关于光生磷脂膜的研究为利用外部刺激引发原始细胞膜形成提供了新思路，在医药、合成生物学领域有着重要潜在应用。

图1. 聚集诱导光偶联反应促发仿生磷脂膜的生成。

（二）分子水平调控离子跨膜传输

细胞膜及膜上的离子通道是活细胞与周围环境进行物质交换的重要途径，对实现细胞各种功能影响重大。其中，天然离子通道是一类镶嵌在细胞膜上的蛋白组装体，它们负责的离子跨膜转运对维持细胞的新陈代谢至关重要，结构功能的异常与许多疾病的发生和发展有关。基于天然离子通道存在丰度低、不稳定、难以获取等研究挑战。研究者们提出利用简单的人工合成体系去模拟天然离子通道蛋白的结构和功能。

针对上述研究现状，该课题组率先提出利用人工分子机器构建人工离子通道，在实现高效跨膜、选择性离子传输的同时，利用刺激响应的分子机器运动实现离子跨膜传输的门控性。

（1）轮烷分子机器开启人工离子跨膜运输

受生物分子机器的启发，包春燕教授课题组提出利用人工合成的轮烷分子机器独特的穿梭运动来模拟转运通道蛋白的结构与功能，实现离子的跨膜运输（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 17992−17998）。该轮烷分子是一个具有三个结合位点的两亲[2]轮烷分子体系，在插入到脂质双分子层后，可通过其滑环在滑杆上的随机穿梭运动进行离子跨膜运输。该结构特性使轮烷能够像缆车一样在脂质双分子层间传输离子，兼具高效、离子选择性和pH门控性。这项工作为分子机器应用到离子运输领域提供了借鉴。

图2. 轮烷分子机器实现离子跨膜传输。

紧接着，该课题组进一步完善了轮烷分子体系，从门控性以及运输效率上对轮烷分子机器离子通道进行了进一步的拓展。在2021年，该课题组成功将偶氮苯分子与轮烷分子结合，合成出一种基于偶氮苯的光敏轮烷分子，通过分子光异构位阻改变调控轮烷的穿梭运动，实现可逆ON/OFF离子跨膜运输（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 14836 –14840）。这个分子成功地将光开关应用到轮烷分子的机器运动调控上，进一步丰富了分子机器在离子运输中的应用。

图3. 光敏轮烷分子机器实现光门控离子跨膜传输。

最近，考虑到阳离子-氯离子共转运在众多生理过程中的重要作用,该课题组又基于轮烷分子机器构建了K⁺/Cl^-共转运体，其分子结构包括一个跨膜滑杆分子和一个或两个滑环分子。滑杆上除了存在两个铵盐位点作为滑环穿梭的站点，还引入两个芳基三唑位点和两个酰胺位点用于氯离子的识别，使轮烷离子通道能同时对K⁺和Cl^-识别，从而利用轮烷的机器运动实现阳离子-氯离子的跨膜共转运。其中，双环轮烷可以通过两滑环沿杆的热力学运动形成穿梭-接力输送机制，进一步加速离子的跨膜运输速率（Chem. Commun. 2023, 59, 3866-3869; Sci. Chin. Chem. 2023, 66, 2300-2308）。

图4. 双环轮烷分子机器接力离子运输实现离子对跨膜传输。

（2）分子马达类离子通道

癌细胞中钾离子的平衡已经成为抗癌药物研发的新靶标。基于此并结合多年在分子机器人工离子通道领域的研究基础，该课题组又提出设计一种以光驱动的马达为核心结构的分子机器来实现钾离子的高效运输，以达到杀死癌细胞的目的。该通道分子中间是一个可以在光驱动下发生快速旋转运动的马达基团，定子上利用两个烷基链对称引出两个K⁺离子识别基团，双亲的结构和合适分子长度使整个分子可以垂直插入并横跨脂质膜形成稳定的K⁺通道。紫外光照驱动马达的旋转，提供了额外的能量并引起磷脂膜局部脂质微相和流动性的变化，从而使通道内离子传输加快，实现光可调控的离子跨膜运输。该通道分子在细胞膜上具有很高的活性，特别是针对细胞膜相对比较通透的癌细胞膜，可以通过光驱动马达旋转促进胞内钾离子外流，从而引发caspase依赖的癌细胞凋亡。该工作为推进人工离子传输体系实现癌症和人类其它疾病的治疗提供新的契机（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204605）。

图5. 光控分子马达运动实现离子高效、选择性和门控运输。

（三）人工仿生信号转导

细胞膜上信号的转导与许多生命活动息息相关，负责信号转导的跨膜受体责任重大，它们功能的异常或缺失会引发许多疾病。信号转导蛋白并不直接传输信号分子，而是通过与胞外信号分子识别、发生跨膜结构变换、激活并引发胞内下游反应等系列过程完成信号跨膜转导，典型的如酪氨酸激酶偶联受体（RTKs）和G蛋白偶联受体（GPCRs）。近年来，相关研究人员开始尝试合成人工受体来模拟这些过程，并且在细胞合成、生物催化、药物传递和生物传感等领域开展相关的应用探索。

基于以上研究现状，包春燕课题组提出利用刺激响应的分子变构，调控受体分子在磷脂膜中的机器运动，实现仿生跨膜信号转导。并在仿生天然信号转导蛋白功能的同时，探索其潜在的生物医药应用。

（1）螺吡喃光异构往复易位实现人工光信号转导

受天然蛋白光信号转导机制启发，该课题组提出利用螺吡喃人工受体在磷脂膜中光照产生往复易位运动实现可控人工光信号转导（Chem. Sci. 2022, 13, 2487–2494）。这项工作巧妙结合了多个功能基团在膜上的协同作用。分子插入膜后，一端螺吡喃的光异构化可调控分子在膜中的位置（往复易位），引发另一端吡啶肟配体与膜内锌离子的配位和解离，从而激活（ON）或停止（OFF）膜内酯的催化水解反应，实现光可控的信号输出。除仿生天然光信号转导外，这种体系可以在许多领域找到新的应用，例如，光控催化水解可用于构建药物释放的智能载体，光诱导分子穿梭可用于触发纳米反应器中的级联反应，转导剂的信号位点可用于生物分析检测等。

图6. 光控分子异构实现人工光信号转导。

（2）通过离子响应的折叠体变构实现人工离子信号转导

最近，受天然信号转导蛋白工作机制启发，该课题组率先提出利用折叠体的构象改变来实现信号跨膜转导（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 20761-20766）。该人工受体分子包含三个功能基团，即脂膜锚定基团、折叠体基团和预催化基团。其中，胆酸膜锚定基团有利于受体分子插入磷脂膜中，并使其定位于接近磷脂膜的亲水区域；嘧啶-腙-嘧啶折叠体基团可响应金属离子实现折叠-解折叠的可逆构象改变；尾端吡啶肟基作为预催化基团，可通过与过渡金属的络合激活催化水解反应。这个人工受体在折叠态时，由于分子长度短于磷脂膜长，阻止了尾端预催化剂进入囊泡内部与金属离子络合完成催化任务；引入锌离子诱导人工受体解折叠后，伸长的分子长度促使尾端预催化剂进入囊泡内，执行络合和催化任务；最后，折叠和解折叠的可逆调控实现信号的可控转导。这项工作借助金属离子响应的折叠体构象的改变实现了跨膜信号的可控转导，为发展新型人工跨膜信号转导体系提供了新的分子范式。

图7. 离子响应折叠体变构实现仿生跨膜信号转导。

以上为包春燕课题组近年来在人工离子跨膜传输和信号转导领域具有代表性的工作成果，课题组欢迎有志于科研，并对其研究方向感兴趣的同学加入！联系方式：baochunyan@ecust.edu.cn。

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