Nat. Commun.：跨膜传递动态调控与监测新体系

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，华东理工大学钱若灿副教授（点击查看介绍）与德克萨斯大学奥斯汀分校陆艺教授（点击查看介绍）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，相关成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

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。

上述研究工作由华东理工大学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。该工作得到了华东理工大学李大伟教授的建议和帮助，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。

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Rectifying artificial nanochannels with multiple interconvertible permeability states

Ruocan Qian, Mansha Wu, Zhenglin Yang, Yuting Wu, Weijie Guo, Zerui Zhou, Xiaoyuan Wang, Dawei Li & Yi Lu 

Nat. Commun., 2024, 15, 2051, DOI: 10.1038/s41467-024-46312-w

导师简介

钱若灿，华东理工大学化学与分子工程学院副教授、博士生导师。本硕博就读于南京大学化学化工学院，于2014年获分析化学博士学位，同年10月进入华东理工大学化学与分子工程学院从事博士后研究工作，2016年留校任特聘副研究员，2019年任副教授。在学术方面，一直致力于分析化学与生物学交叉前沿方面的研究，尤其是细胞相关的生命分析。以活细胞为研究对象，聚焦活细胞动态分析，取得系列创新性研究成果：①基于超微玻璃电极纳米人工通道，提出亚细胞精准动态分析新方法；②构建金属离子特异性激活的DNA功能结构，发展细胞内外识别动态分析新策略；③基于超微玻璃电极构建内壁性质可调的跨膜通道，建立跨膜传递动态监测新体系。以第一作者或通讯作者身份在Nat. Commun (1篇)、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（4篇）、Anal. Chem.（11篇）等高水平学术期刊上发表论文52篇，总引用2000余次。获2016年上海市“晨光学者”称号，国家发明专利授权11项。

https://www.x-mol.com/groups/ECUST_cellanalysis/people/20437 

Yi Lu（陆艺），美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）全职教授。1986年毕业于北京大学，1992年获得UCLA（美国加州大学洛杉矶分校）博士学位，1992至1994年在加州理工学院化学系Harry B. Gray教授实验室进行博士后研究工作。1994-2021年陆教授在美国伊利诺斯大学香槟分校任教，被聘任为化学系，生物化学系，生物工程系和材料科学与工程系的Jay and Ann Schenck终身教授。自2021年起，陆教授成为Richard J. V. Johnson - Welch Regents Chair在德克萨斯大学奥斯汀分校化学系任教。

陆教授长期从事（1）设计功能金属蛋白作为环境友好的催化剂用于可再生能源生产和制药催化与工程；（2）DNA酶的基础研究及其在环境监测、食品安全、医学诊断和治疗等方面的应用；（3）生物纳米材料可控形态及其在成像和医学应用的指导组装；（4）新型生物催化剂在合成生物学中的应用。陆教授已是生物无机化学和DNA传感器研究领域的领军人物之一。

由于其杰出的学术水平和成就，陆教授获得了多项科研奖，包括英国皇家化学会的应用无机化学奖（2015）和Joseph Chatt 奖 (2020) ,英国皇家化学会会士（FRSC）（2015），美国国家发明家学院Fellow （2021）和Allen Distinguished Investigators 奖(2022)。在Nature，Science，PNAS，Adv. Mater, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等国际著名学术刊物发表论文400余篇，申请50多项美国及国际专利。

https://www.x-mol.com/university/faculty/188