磷酸化響應離子通道調控新技術

磷酸化調控的離子通道在神經元和心肌細胞活性的調控中扮演關鍵角色，深入了解這一復雜過程對于評估與蛋白質磷酸化相關的細胞發育以及相關疾病（包括代謝紊亂、精神疾病、免疫功能障礙和惡性腫瘤）的診斷至關重要。通過人工流體系統構建的磷酸化響應離子通道能夠有效傳遞翻譯后修飾的信號，模仿和增強關鍵細胞功能，對于精準的生物分子檢測和細胞通訊研究具有重要意義。然而，目前調節磷酸化響應離子通道的方法主要依賴于空間位阻或表面電荷調制，而且，在磷酸化激活的人工納米通道中實現離子運輸的精確操縱仍然是一個重大挑戰。

南京大學生命科學學院李根喜教授團隊最近提出了一項生物啟發磷酸化響應離子通道控制新技術。該團隊創新性地將多肽作為蛋白激酶的識別底物兼納米粘合劑，成功將氧化石墨烯引入納米通道系統，這一獨特的調控手段不僅調整了納米通道表面的空間位阻和潤濕性，創造了一個實質性的離子傳導屏障，提高了離子運輸的可控性，而且在這一創新設計基礎上，團隊還成功研發了一種靈敏的生物傳感器，可用于檢測蛋白激酶A（PKA）的活性，具有操作簡便、無需標簽和低成本的顯著優勢。

李根喜教授團隊之前在功能化納米通道中離子傳輸調控方面開展了許多工作（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8239–8243; Anal. Chem., 2021, 93: 16646-16654; Nano Lett. 2022, 22, 1083–1090），為本項技術研究提供了基礎，因而成功實現了對納米通道空間位阻和潤濕性的同時調控，并構建了一個可以被PKA催化磷酸化調節的仿生離子門控（見圖1）。研究團隊模擬了PKA調控的L型鈣離子通道的過程，并巧妙地運用響應肽作為PKA特異性磷酸化靶點，因此多肽在磷酸化狀態下避免了被蛋白酶消化，從而成為氧化石墨烯與納米通道的理想納米粘合劑。這一巧妙設計產生的空間位阻和潤濕性的巨大變化顯著地阻礙了離子傳輸，而未經磷酸化的納米通道則容許離子的自由運輸。

研究團隊通過對氧化石墨烯納米片調制離子傳輸的詳細分析，驗證了多肽促進氧化石墨烯形成涂覆層的能力，并確定了具有**門控性能和穩定性的氧化石墨烯的尺寸與濃度。此外，他們還通過測量納米通道表面接觸角的變化，確認了氧化石墨烯對納米通道表面潤濕性的改變。這一研究不僅拓寬了離子通道調控的新途徑，同時為生物傳感分析領域引入了創新的技術手段。

為實現PKA的靈敏檢測，并鑒定其抑制劑或激活劑，以推動疾病早期診斷及發現潛在的激酶靶向藥物，研究人員進一步通過將多肽序列RRASLG嵌入響應肽作為PKA的識別底物，成功研發了一種操作簡便、無需標記和低成本的高靈敏生物傳感器。研究結果表明，通過氧化石墨烯和多肽之間的相互作用，離子門能夠特異而高效地響應磷酸化，并將位阻差異轉化為PKA分析的離子電流。此外，在+1 V時納米通道中的電流值與PKA濃度之間呈線性相關，實現了對PKA的精準定量檢測。

為了進一步驗證他們所研制的生物傳感器的性能，研究團隊進行了一系列實驗證明其具有良好的特異性與抗干擾性。他們還通過對PKA抑制劑的預處理實驗證明了生物傳感器在篩選PKA抑制劑方面的潛力。最后，研究人員發現該生物傳感器在體外測定細胞裂解液中PKA活性方面表現出色。

綜上所述，李根喜教授團隊提出了一種仿生磷酸化響應離子通道，通過雙功能多肽的精確識別和氧化石墨烯涂層的體積排斥和潤濕性調節，實現了對離子運輸的高效調控。此外，他們利用多肽的磷酸化與蛋白酶水解反應，還研發了一種高特異性、高穩定性、超靈敏檢測PKA活性的生物傳感器。這一研究成果有望為生物啟發離子通道研究提供新的思路，并在生物醫學診斷和藥物發現領域展現出廣闊的應用前景。

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