由通道蛋白介导的离子跨膜传输对维持生命活动的正常运行具有重要的意义。从天然通道蛋白的结构和性质关系中获取灵感，是开发新型仿生通道的重要手段之一。目前报道的人工离子通道在设计、制备以及结构表征方面较为繁琐，并且缺乏动态可逆调节的特性。如何通过快速简便的方法制备新型智能的人工离子跨膜通道仍然十分具有挑战性。
近期，杭州师范大学刘俊秋教授团队采用简单的“一锅法”聚合反应，制备了一系列侧链含有苯并18-冠醚-6基团的柔性聚合物并对其离子跨膜传输性质进行了详细研究（图1）。研究发现，在一定的单体比例条件下，柔性聚合物上的冠醚基团可以对钾离子进行选择性跨膜传输。由于胆固醇具有十分优异的嵌膜能力，因此，当在聚合物当中引入少量胆固醇作为“锚定”基团，可以使聚合物的嵌膜稳定性大大增加，并且通道的K+/Na+传输的选择性也得到了明显增强（图2）。平面脂双层单通道电流实验表明，不含胆固醇基团的聚合物P1在磷脂膜上并没有形成稳定孔道结构，而是以载体形式进行离子跨膜传递。而含有胆固醇作为“锚定”基团的聚合物P2在可以明显观测到平稳的方波型电流信号，因此可以判断苯并18-冠醚-6基团能够在P2上排列形成规则纳米孔并进行离子传输。
图1. 柔性聚合物通道的结构式以及离子传输示意图。
此外，通过在聚合物中引入对酸敏感的烷基胺侧链，还得到了pH门控型聚合物通道P3（图3）。众所周知，18-冠醚-6与质子化的氨基有较强的结合能力，而与去质子化氨基的结合能力较弱。因此，在酸性条件下（pH = 4），烷基胺基团处于质子化状态，能够与冠醚基团形成主−客体复合物，从而实现对离子通道关闭。在碱性条件下（pH = 12），烷基胺基团发生去质子化并从冠醚基团中解离出来，使得离子通道的重新开启。通过调节溶液pH的方式，改变18-冠醚-6与−NH2/−NH3+基团之间的复合与解复合，实现了对该柔性聚合物通道开−关的智能调控。
综上，在该工作中，刘俊秋教授团队利用柔性聚合物发展了一种新型的离子通道制备策略，该聚合物通道不仅设计制备简单，还具备优异的K+/Na+传输选择性以及pH门控特性等。该研究结果对于理解和模拟天然离子通道的传输行为具有重要的生物学意义，也为今后开发智能人工离子通道提供了全新的思路。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是杭州师范大学材料与化学化工学院博士后闫腾飞。
Flexible Single-Chain Heteropolymer-Derived Transmembrane Ion Channels with High K+ Selectivity and Tunable pH-Gated Characteristics
Tengfei Yan, Shengda Liu, Cong Li, Jiayun Xu, Shuangjiang Yu, Tingting Wang,* Hongcheng Sun,* and Junqiu Liu*
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202210214
刘俊秋, 杭州师范大学材料与化学化工学院教授；国家“杰出青年基金”获得者；教育部“长江学者特聘教授”。1999 年于吉林大学化学系高分子专业获理学博士学位。2002-2003年：获洪堡基金资助在德国从事博士后研究。2003-2019年：吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室, 担任全职教授。2019年-至今：杭州师范大学材料与化学化工学院，担任教授、博士生导师。主要研究方向包括酶仿生设计与应用、光捕获系统仿生设计、构筑仿生离子通道系统、药物控释与疾病治疗、纳米生物检测与治疗、智能纳米载药系统、抗肿瘤免疫治疗等。目前在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊已发表SCI研究论文200余篇，主编英文专著1部，参编8部。担任J. Biomat. Nanobiotech，General Chem., Polym. Sci., 《高等学校化学学报》等杂志编委。任中国生物物理学会纳米酶分会副会长、中国化学会化学生物学专业委员会委员、中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员、吉林省化学会理事等。获得吉林省科技进步一等奖1项 (第一完成人)。吉林省自然科学学术成果一等奖1项 (第一完成人)。
https://www.x-mol.com/university/faculty/10930
http://liulab.hznu.edu.cn
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯