自然界中，膜上具有规则纳米孔的胶囊结构并不罕见。许多病毒就具有这样特殊的结构。某些两亲性分子混合体系自组装，也会形成具有纳米孔的胶囊结构，例如十六烷基三甲基氯化铵/卵磷脂酰胆碱（C16TAC/EPC）混合体系。这些混合体系都具有一个共同特点：其中一种两亲性分子可形成球形或圆柱形胶束，而另外一种两亲性分子则倾向于形成囊泡。带孔的膜或囊泡结构则被认为是从脂质囊泡到胶束的中间过渡形貌。这些具有纳米孔的胶囊，在需要纳米孔作为物质交换及运输通道等领域具有潜在的应用前景。因此，开发具有规则纳米孔的胶囊，实现对纳米孔开关的控制，是具有重要研究价值的工作。然而，到目前为止关于这种特殊结构的实验和理论研究报道仍然非常有限。

图1 trans-PEG550-TPE-Chol 和cis-PEG550-TPE-Chol的分子结构及其自组装和聚集诱导荧光性质

  李敏慧研究员团队从分子设计的角度出发，合成了新的两亲性反式和顺式异构体： trans-PEG550-TPE-Chol 和cis-PEG550-TPE-Chol，并研究了其自组装行为（图1）。其中，四苯基乙烯（TPE）以及胆固醇作（Chol）为异构体的疏水部分，乙二醇寡聚物（PEG）作为其亲水部分。该团队研究发现trans-PEG550-TPE-Chol自组装形成囊泡。而cis-PEG550-TPE-Chol倾向于形成圆柱形胶束。在同样的组装条件下，无论是自然合成的还是人工混合的顺反混合物 (trans/cis)-PEG550-TPEChol都可以自组装形成具有纳米孔的囊泡。随后，该团队探讨了两亲性分子的顺反结构对组装形貌的影响，并提出了不同的分子组装模型。同时，他们也讨论了具有纳米孔的囊泡的形成机理，并研究了紫外光照对组装形貌的影响。

  他们发现光照之后trans-PEG550-TPE-Chol囊泡可转变成带孔的囊泡和膜结构。核磁结果显示组装体中部分trans-PEG550-TPE-Chol光异构化转化成其cis结构（图2A）。利用囊泡从“关闭”到“打开”状态，他们实现了包裹大分子的可控释放。同时，光照之后，cis-PEG550-TPE-Chol圆柱胶束可“编织”形成网状结构（图2B）。

图2 （A）trans-PEG550-TPE-Chol囊泡光照前（左）后（右）的cryo-EM图片。（B）cis-PEG550-TPE-Chol圆柱胶束光照前后的cryo-EM图片。

  有趣的是，(trans/cis)-PEG550-TPE-Chol的带孔囊泡和双分子膜在光照前后没有明显的形貌变化 （图3A），其原因是组装体中同时存在trans-to-cis和cis-to-trans的双向光异构化过程。 由于TPE基团的引入，这些组装体也呈现出聚集诱导发光性质，于是他们还通过荧光显微镜观察了(trans/cis)-PEG550-TPE-Chol的带孔巨型囊泡（giant vesicles），发现光照过程中囊泡的膜发生了明显的起伏变化（图3B）。其原因也是膜中的分子同时进行着trans-to-cis和cis-to-trans的双向光异构化。

图3 （A） (trans/cis)-PEG550-TPE-Chol带孔的自组体光照前后的cryo-EM图。（B）带孔巨型囊泡的荧光显微镜图片（Ⅰ: 明视野，Ⅱ-Ⅳ：分别照射0，40 和60秒后的荧光照片）。

  这一成果发表在近期ACS Nano上，文章的第一作者是巴黎科学人文艺术大学（PSL University）的陈辉博士，通讯作者为法国国家科学研究中心一级主任研究员李敏慧研究员。

  论文链接: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.0c07400