羟基人工水通道——自适应选择性跨膜传输水分子/水簇的途径

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蛋白质经过数千年的进化，演变出目前的功能与结构。虽然蛋白质在生物体中的功能显著且高效，但其结构的复杂性和对环境的敏感性，极大地限制了其大规模合成以及在生物体外进一步应用的潜力。因此，通过化学设计与合成重构天然载体或通道蛋白，是当前化学研究最重要的目标之一。
       水通道蛋白（Aquaporins）是生物体内广泛存在的天然蛋白，其在细胞膜上形成“孔道”，可控制水在细胞的进出，同时排除所有的离子。相应地，人工水通道（Artificial water channels）在经过多年研究后，达到了非常接近于天然水通道蛋白的性能，实现了水的跨膜传输。如图1所示，目前已报道的人工水通道主要有以下几种类型：1）碳纳米管（CNT）；2）柱芳烃水通道（PAP5、PAH[4]、PAH5s等）；3）分子折叠体（Aquafoldamer）；4）有机笼分子（POC）；5）自组装咪唑水通道（I-quartet channels）等，其中仅有PAH[4]和I-quartet可在传输水的同时排除离子。因此，只有通过十分巧妙的分子设计，才可以实现天然水蛋白的所有功能，且兼具低成本、可调节、稳定性和实用性等特性，从而为人工水通道在工业化应用奠定基础。

图1. 主要的人工水通道结构示意图

       近日，中山大学化学学院博士生黄礼博在Lehn功能材料研究所超分子化学与材料方向外籍导师Mihail Barboiu教授的指导下，设计了一类高效新颖的亲水性羟基人工水通道，可通过控制样品浓度的方式，实现自适应传输水分子或水簇，同时排除几乎所有离子甚至质子。其结构如图2所示，在该类分子中，辛基作为分子的“尾巴”，可以使分子有效地嵌入细胞膜中；脲基作为结构的“骨架”，脲基之间连续且有序的氢键作用使分子呈一维紧密排列，兼顾水通道的稳定性；含多羟基的衍生基团作为分子的“头部”，与水分子直接接触，具有传输水分子且控制通道尺寸排除离子的作用。

图2. 羟基水通道的化学与晶体结构

        进一步，研究者基于单纯的细胞膜囊泡，检测了水传输与离子传输的速率。水传输实验中，在制备好的囊泡悬浮液中加入不同浓度的通道分子，等待水通道嵌入且自组装完成后，注入高渗透压的溶液。通过Stopped-flow动态光散射实验装置记录囊泡的收缩速度，经过计算得到单个通道最高可实现每秒传输2.33×108个水分子的速率，与天然水蛋白的水传输速率处于同一数量级。更有趣的是，研究者发现随着注入的通道分子浓度的逐渐增加，水传输速率也相应地线性提升，直至浓度提升至mCLR = 1.5以上，H2、H3与H4水通道的传输速率大幅跃升约两个数量级，其他通道未发现明显提升。这一现象可解释为：通道分子达到一定的堆积密度后，通道由原本狭窄（2.7 Å）的结构自发地转变为大尺寸的孔道，并实现了对水簇的传输。该结论被分子动力学模拟结果所验证。离子传输实验在类似的条件下进行，通过分析荧光数据，发现此类羟基水通道完全不传输离子和质子，这一特性和天然水蛋白契合。
       该工作首次在细胞膜上通过单一水通道实现了水分子或水簇的传输，并揭示了水分子/水簇传输的机理与特性。同时，优化了自组装水通道的结构，实现了水通道对离子和质子的完全排斥，丰富了人工跨膜水通道的种类。该研究拓宽了人工水通道的研究方向，使水通道有望突破细胞环境的局限，并为实现其在海水淡化膜等潜在的工业化应用设计依据与思路。
        上述研究进展发表于学术期刊《美国化学会志》，并入选封面论文。论文信息：L.-B. Huang, A. Hardiagon, I. Kocsis, C.-A. Jegu, M. Deleanu, A. Gilles, A. van der Lee, F. Sterpone, M. Baaden, M. Barboiu. J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11952。论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c11952。
       该研究工作得到中国国家自然科学基金、留学基金委、广东省国际科技合作基地以及法国Agence Nationale de la Recherche WATERCHANNELS等项目的支持。


       文章来源：中山大学