在自然界的有机生命体中，由膜通道蛋白所精确调节的金属阳离子跨膜输运广泛存在，并在维持生命的正常生理机能方面扮演着举足轻重角色，例如调节细胞内外渗透压、肌肉收缩、神经信号传输等等。近些年来，科学家们在解析膜通道蛋白大分子结构以及探究其离子输运机理方面取得了诸多进展。这些进展进一步指导和启发着化学家，尤其是有机化学家们，去设计和合成人工离子跨膜输运体。与自然进化的蛋白质大分子相比，人工合成的离子通道或者载体具有结构简单、性能稳定、价格低廉等一系列优点，使其在未来医药和化工产业中有着广阔的应用前景。
自从上世纪六十年代被发现以来，冠醚因其简单的结构和独特的碱金属离子结合能力而被广泛应用于多种跨膜人工离子通道或者载体的设计与合成。大量文献表明，在溶液体系中，冠醚和碱金属（锂、钠、钾、铷、铯）离子之间的结合基本遵循冠醚环内空和碱金属离子直径之间大小匹配的一一对应关系。例如 12-冠醚-4 在溶液中会选择性地结合锂离子，15-冠醚-5、18-冠醚-6 和 21-冠醚-7 则分别选择性结合钠离子、钾离子和铯离子。然而截至目前，在基于冠醚的人工离子跨膜输运体体系中实现上述对应关系的还没有任何成功的先例。近日，西北工业大学曾华强课题组与新加坡科技局和新加坡南洋理工大学合作，利用一系列基于C60-富勒烯核心和冠醚表面修饰的分子球作为人工离子跨膜输运体，成功实现了高效且选择性可精准定制的离子跨膜输运。这项研究开辟了可从液相选择性直接精准定制跨膜输运选择性的先河，解决了本领域40年来悬而未决的重大难题。
图1. 基于C60-富勒烯核心和冠醚表面修饰的分子球，及其作为人工离子载体而实现的高效且具有可定制选择性的跨膜碱金属离子的定向运输。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
这些模块化合成的分子球中包含一个C60-富勒烯核心，通过长度可调的柔性烷烃直链与外围的十二个苯并冠醚基团相连，从而形成一个直径和磷脂双分子层厚度相近的球形三维结构。该分子球可表示为MBm-Cn，其中MB为Molecular Ball缩写，m表示冠醚环中氧原子个数，n表示烷烃直链中碳原子个数。例如，MB4-C10代表12-冠醚-4修饰的且烷烃直链为C10H20的分子球。内含酸碱敏感染料的单膜水泡实验结果表明所有12-冠醚-4修饰的分子球对于锂离子的传输效率明显高于其他碱金属离子，其中MB4-C10表现出的锂离子相对于其他碱金属离子的输运选择性高达47.5。同样的，15-冠醚-5、18-冠醚-6和21-冠醚-7修饰的分子球则分别选择性地跨膜输运钠离子，钾离子和铯/铷离子，其中MB5-C8的钠对钾和MB6-C8的钾对钠的离子选择性分别为13.7和7.8。钠离子和钾离子是人体中细胞内外都广泛存在的电解质，所以针对他们的人工离子通道或者载体研究因其潜在的医药应用价值而一直吸引着人们的兴趣。在基于冠醚设计合成的人工离子通道或者载体中，能高效且选择性输运钾离子的先例已有诸多报道，但是针对钠离子的人工通道或载体研究则明显滞后。这里MB5-C8 分子球所表现出的 13.7 的钠钾选择性是所有基于冠醚的人工离子通道或者载体的最高纪录。该选择性甚至能媲美一些自然界存在的膜通道蛋白。对于同种冠醚修饰的分子球，离子传输效率则受到其烷烃直链长度的影响，但总体都表现出了令人满意的结果。其中MB4-C10，MB5-C8，MB6-C12 和 MB7-C8 在各自同种冠醚修饰的分子球中具有最高的离子传输效率。其对于锂，钠，钾和铷/铯离子的半最大效应浓度分别为0.13, 0.47, 0.40和0.105/0.077微摩每升（1 微摩每升 = 脂质分子摩尔数的1.03 %）。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是新加坡科技局纳米生物实验室的李宁博士，通讯作者是西北工业大学的曾华强教授。
Buckyball-Based Spherical Display of Crown Ethers for De Novo Custom Design of Ion Transport Selectivity
Ning Li, Feng Chen, Jie Shen, Hao Zhang, Tianxiang Wang, Ruijuan Ye, Tianhu Li, Teck Peng Loh, Yi Yan Yang, Huaqiang Zeng*
J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 21082–21090, DOI: 10.1021/jacs.0c09655
西北工业大学曾华强课题组长期以来一直从事生物有机超分子功能材料的研究，致力于发展通道蛋白的人工版本，即人工跨膜输运体将通道蛋白的单一功能多样化，达到甚至超越通道蛋白的高特异性，发展全新的跨膜输运机理及在抗癌,海水淡化和基因测序技术等中的应用。最近几年发展出了具有最高钾/钠离子选择性的钾离子跨膜输运体（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12338；J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9788；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 1440），高效高选择性碘离子跨膜输运体（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 4806），高选择性高透水性人工水通道（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 14270；Acc. Chem. Res., 2016, 49, 922；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 13328；J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 10050）及全新的非载体非通道离子跨膜输运体，分子秋千（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 8034）和分子渔夫（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9788）。
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