四川大学丁明明和谭鸿教授团队Angew：高分子构象转变调节囊泡膜通透性
聚合物囊泡为模拟细胞系统的结构和功能提供了一个很好的模型，在仿生学、生物传感和药物传递等方面具有巨大的应用潜力。与传统脂质体相比，聚合物囊泡的稳定性强，化学可调节性高，但其膜通透性低，显著阻碍了物质通过囊泡膜的运输和交换。为了解决这个问题，研究人员通过嵌入生物大分子或引入刺激响应组分来调控膜的通透性。然而，这些方法大多数会导致囊泡崩解，或需要复杂的化学反应来维持囊泡结构。在自然界中，细胞或细胞器膜蛋白构象的有序转变能够引起膜通透性的变化，进而影响分子运输和细胞凋亡等生命活动。然而，像生物系统那样调控囊泡膜通透性对于合成高分子来说存在巨大挑战。
近日，四川大学高分子科学与工程学院丁明明教授和谭鸿教授以“Ordered Conformation-Regulated Vesicular Membrane Permeability”为题在Angewandte Chemie International Edition上首次报道了通过聚氨基酸二级构象的有序转变来调控聚合物囊泡膜通透性。在前期工作中，该团队提出了利用疏水锁和氧化门控调控聚氨基酸构象有序转变的新方法，并通过构象驱动聚合物胶束-囊泡转变（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6604-6610）。在此基础上，研究人员通过合理设计得到了聚氨基酸囊泡，该聚合物囊泡在活性氧作用下构象由β折叠转变为α螺旋，进而降低膜的厚度，并重构氢键和相行为，从而在保留囊泡完整性的同时增强其膜通透性，实现了小分子和大分子物质的特异性跨膜转运。
研究者以胆固醇修饰的半胱氨酸为疏水段，聚乙二醇为亲水段合成两亲性聚半胱氨酸（MPEG-PLCC），通过调控链段数得到两亲性聚氨基酸囊泡。该聚合物侧链硫醚键能够被活性氧（ROS）氧化成砜键或亚砜键，其构象由β折叠逐步转变为α螺旋。聚合物氧化前后均保持完整囊泡结构，但有趣的是氧化后的自组装体囊泡膜明显变薄。
囊泡膜结构的变化势必会对其释放行为产生一定影响，研究发现氧化条件下，包载了疏水性分子的囊泡具有优异的释放行为，这主要归因于聚合物氧化后极性增强、液晶相的形成和构象转变三个因素。此外，聚合物囊泡氧化后膜通透性大大增强，对不同分子量的亲水性分子表现出特异性的控释行为，并能够充当纳米反应器进行特异性的催化反应。
受人体葡萄糖激酶的启发，进一步将葡萄糖氧化酶包载入囊泡内，获得了能够在葡萄糖作用下分泌胰岛素的智能聚合物囊泡。其具有优异的糖响应释放行为及长循环能力，在体内显示出优异的降血糖能力及低副作用。该研究通过活性氧响应的构象转变增强了囊泡膜通透性，对于理解天然生物膜和蛋白质的结构和功能具有重要的科学价值，在生物技术和生物医学领域具有广阔的应用前景。
以上相关成果发表于Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202109637)。论文的第一作者为四川大学高分子科学与工程学院研究生郑毅和王作杰，通讯作者为丁明明教授和谭鸿教授。该项研究工作得到国家自然科学基金委、四川省科技厅和高分子材料工程国家重点实验室项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202109637
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