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科学家合成了一种模拟细胞膜蛋白的新型人工分子

在高等生物中,细胞和细胞器周围有一层膜,它不仅在创建外部环境的屏障方面起着关键作用,而且还介导了液体、电解质、蛋白质和其他有用物质的交换。通常,这些膜是由脂质分子组成的拒水层,在双层膜上嵌入了各种“跨膜”蛋白质。这些蛋白质以一种独特的方式组装,在特定条件下,它们会根据选择性分子或离子的反应而打开或关闭。生物膜的这些选择性和传感能力来自于它复杂的结构,它们共同使这些膜成为合成新材料的诱人模型,用于开发先进的传感和分离装置。然而,人工开发这样的分子组装(可以在膜上以功能活跃的方向自行组装)至今仍是一个挑战。

在《自然通讯》上发表的一篇研究论文中,东京科技公司的科学家们开发了一种模拟天然离子通道的离子传输活动的合成通道。这项研究的合著者,Kazushi Kinbara教授和Takahiro Muraoka教授解释说:“限制人工跨膜分子应用的一个主要障碍是实现功能主动定向。我们试图创造一种跨膜分子来克服这个困难。”

为了实现这一目标,科学家们专注于跨越细胞膜多次的生物离子通道的结构,并以此为基础设计了两个人工分子。这些分子既由称为BPO单元的拒水结构块,又由称为低聚乙二醇链的水溶性部分组成。这些结构特征使这些人造分子嵌入细胞膜时能够自我聚合。这些分子中还含有磷酸盐基团,这有助于它们在细胞膜上获得正确的定位。

接下来,科学家们集中研究这两种分子中的一种,分析其结构特性。他们观察到,当合适的诱饵类“配体”分子被添加到含有人造分子的溶液中时,它们成功地与结构结合——证实了该结构确实在功能上是活跃的。此外,当这些分子被引入一个预先形成的膜时,它们可以自己在膜中插入和定位。在特定配体的存在下,嵌入膜的大分子改变了它们的结构并运输离子,包括锂、钾和钠离子。由于这种合成分子在人造膜上表现出了良好的效果,科学家们随后在活细胞中进行了测试。利用一种叫做荧光显微镜的技术,他们观察到这种大分子在生物膜中也表现出相同的功能特性,包括不同的配体结合和调节的离子转运活性!

总之,这项研究显示了人工设计的分子是如何自我组装、定位、定向和模拟生物离子传输过程的。这些发现可能会刺激仿生调节领域的发展。作者乐观地总结道:“我们研究的有希望的结果解决了一个长期存在的限制,这个限制阻碍了人工仿生膜蛋白在应用领域的应用。”

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