探究非对称离子输运的起源

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1997年，Allen J. Bard课题组在石英纳米毛细管中发现了非对称的离子传输现象（Ionic Current Rectification, ICR）。20多年来，无数的实验和理论工作发现，这种非对称的离子传输特性普遍存在于生物和人工合成的纳米及亚纳米尺度的流体系统中。基于对ICR现象的基本认识，人们发展了ICR在能源、传感及流体输送等领域的应用。在基础研究层面，人们对合成体系中ICR现象进行研究，为了解生命起源过程中非对称的离子传输特性从原始囊泡到细胞膜离子通道的进化中所扮演的角色奠定了重要的基础。经过多年的研究积累，人们认识到ICR现象源于体系结构或者环境因素中对称性因素的破缺（Acc. Chem. Res., 2013, 46, 2834）。虽然这一经验性的论断已经得到大量实验和理论研究的支持，但故事远没有结束。能够用一种明确的关系将体系的对称性与其非对称离子输运特性相联系，并对所谓的“对称性因素破缺”给予可定量的描述成为一大挑战。

近日，由中科院理化技术研究所郭维研究员领导的中科院化学研究所、厦门大学、北京大学的研究团队对这一问题给予了更为深刻和系统的回答。他们在多年对DNA修饰纳米孔道研究的基础上（Adv. Mater.,2015, 27, 2090; Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2007; J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 15395; J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 7800; J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 8345），以DNA组装体填充的纳米孔道作为模型体系，利用ATP与其核酸适配体（DNA aptamer）的相互作用，从孔道的一侧对填充的DNA纳米结构进行分解，实验研究中得到了对称性逐渐破坏、又逐渐恢复的纳米孔道体系。他们系统研究了这一过程中ICR特性随系统对称性的演化。

在理论方法研究中，他们创造性地利用粗粒化的Poisson-Nernst-Planck模型对聚电解质填充的纳米孔道中离子的输运行为进行描述，建立了非对称离子输运特性与DNA填充构型的确切关系。由此人们清晰地看到，这种非对称的离子输运行为是如何产生，又如何消失的。他们进一步建立了一维的统计模型，利用模型的序参量对DNA分解过程中体系对称性的变化进行准确的描述。最后，他们展示了一种利用非对称离子输运特性的变化对ATP含量的检测手段，称为“ATP天平(ATP balance)”。

相关成果作为2017年的最后一篇文章发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中科院化学研究所的蒋亚楠博士，毛兰群研究员作为共同通讯作者参与此项工作。该工作同时得到江雷院士的鼎力支持，谨以此文献给北京大学120周年庆。

该论文作者为：Yanan Jiang, Yaping Feng, Jianjian Su, Jingxin Nie, Liuxuan Cao, Lanqun Mao, Lei Jiang and Wei Guo

On the Origin of Ionic Rectification in DNA-Stuffed Nanopores: The Breaking and Retrieving Symmetry

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 18739, DOI: 10.1021/jacs.7b11732