Nano Lett. | 跨膜石墨烯作为电子隧道调节细胞内氧化还原状态

背景介绍

细胞氧化还原稳态对于维持DNA合成和基因表达等基本生命活动至关重要，失衡则可能导致衰老、神经退行性疾病和癌症。跨质膜电子传递系统通过氧化还原酶促进电子在细胞内的传递，维持氧化还原平衡。基于此自然机制，研究者们开发了外部电场极化的人工跨膜电子传递技术，通过向细胞内注入电子或利用双极电化学实现对细胞氧化还原状态的调控。然而，这些方法可能干扰细胞的正常生理功能，限制了其在体内应用的前景。因此，开发无需外部电场的细胞调控新技术成为研究热点。

文章亮点

近日，中国科学院化学研究所于萍研究员，江剑研究员及北京师范大学毛兰群教授在Nano Letters上发表了跨膜石墨烯作为电子隧道调节细胞内氧化还原状态研究。本研究介绍了一种新型构建跨膜电极的方法，利用石墨烯微片通过简单孵育即可自发稳定地穿透细胞膜，无需复杂的修饰或预处理。由于石墨烯的跨膜结构和优异的导电性，可以作为电子流动的跨膜隧道。

图1. 跨膜石墨烯的表征

近年来发展起来的自发双极电化学技术，通过设计具有负吉布斯自由能的氧化还原反应，使得反应可以在导体的两端自发发生，无需外部电场。为了评估石墨烯在介导跨膜电子传输方面的潜力，研究团队首先在传统电化学池中确认了石墨烯膜的自发双极行为。通过设计封闭的自发双极电化学系统（如图2d所示），利用石墨烯膜分隔过氧化氢和抗坏血酸，记录到典型的浓度依赖性开路电位响应。这一结果表明，石墨烯可以通过自发双极电化学作用实现跨膜电子传输。

图2. 石墨烯膜驱动的电化学电池的配置和表征

当氧化还原电位匹配分子被引入细胞外后，电子可以通过嵌入膜内的石墨烯自发地跨膜转移，并以自发双极反应的形式消除胞内的ROS或NADH。通过这一机制，有效缓解了细胞内的氧化或还原应激，实现了对细胞内氧化还原状态的精准调控。

图3.  细胞内氧化还原氛围的调节

总结/展望

研究团队成功实现了石墨烯微片插入并稳定保留在活细胞膜中。基于这一特性，研究展示了一种通过石墨烯的自发双极行为调控细胞内氧化还原状态的新方法，实现了无外加电场干扰的细胞氧化还原状态无线式调控，为细胞过程干预和神经疾病治疗等生物应用提供了新可能。

相关论文发表在Nano Letters上，中国科学院化学研究所博士研究生周浩洋为文章的第一作者， 于萍研究员、江剑研究员及毛兰群教授为通讯作者。

通讯作者信息：

于萍 研究员

于萍，现任中国科学院化学研究所活体分析化学院重点实验室主任，研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。2007年于中国科学院化学研究所获得博士学位，之后留所工作。期间于2012年9月至2013年3月赴美国犹他大学从事访问学者研究。多年来一直致力于离子传输和神经科学的交叉研究。迄今，已在本专业有影响的杂志上发表研究论文100余篇, H-index 55。获国家杰出青年基金，北京市杰青，基金委优青等项目资助。2011年作为首批会员入选“中科院青年创新促进会”，曾获得国家自然科学二等奖、北京市科学技术一等奖、中科院卢嘉锡青年人才奖及中国科学院王宽诚“优秀女科学家”专项奖等奖项。

课题组主页：http://yuping.iccas.ac.cn/

原文

英文原题：Transmembrane Graphene as an Electron Tunnel to Regulate the Intracellular Redox State

通讯作者：于萍，中国科学院化学研究所；江剑，中国科学院化学研究所；毛兰群，北京师范大学

作者：Haoyang Zhou (周浩洋), Zhixuan Zhong (钟智轩), Shiyi Wei (魏诗呓), Ping Yu (于萍), Jian Jiang (江剑), Lanqun Mao (毛兰群)

Nano Lett. 2024, 24, 33, 10396–10401

Publication Date: August 8, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03255

Copyright © 2024 American Chemical Society