導讀
日前，東莞學院物理大學博士生黃禮博在Lehn功能材料研究所超分子物理與材料方向外籍導師院士的指導下，設計了一類高效新穎的親水性胺基人工水通道，可通過控制樣品含量的方法，實現自適應傳輸水分子或水簇，同時排除幾乎所有離子甚至質子。相關研究進展發表于學術刊物《美國物理會志》，并入圍封面論文。
蛋白質經過數千年的進化，演化出目前的功能與結構。其實蛋白質在生物體中的功能明顯且高效，但其結構的復雜性和對環境的敏感性，極大地限制了其大規模合成以及在生物體外進一步應用的潛力。因而，通過物理設計與合成構建天然載體或通道蛋白，是當前物理研究最重要的目標之一。
水通道蛋白（）是生物體內廣泛存在的天然蛋白，其在細胞膜上產生“孔道”，可控制水在細胞的進出，同時排除所有的離子。相應地，人工水通道（water）在經過多年研究后，達到了極其接近于天然水通道蛋白的性能，實現了水的跨膜傳輸。如圖1所示，目前已報導的人工水通道主要有以下幾種類型：1）碳納米管（CNT）；2）柱烯烴水通道（PAP5、PAH[4]、PAH5s等）；3）分子折疊體（）；4）有機籠分子（POC）；5）自組裝吡啶水通道（I-）等，其中僅有PAH[4]和I-可在傳輸水的同時排除離子。因而，只有通過非常巧妙的分子設計，才可以實現天然水蛋白的所有功能，且兼顧低成本、可調節、穩定性和實用性等特點，因而為人工水通道在工業化應用奠定基礎。
圖1.主要的人工水通道結構示意圖
近期，佛山學院物理大學博士生黃禮博在Lehn功能材料研究所超分子物理與材料方向外籍導師院士的指導下，設計了一類高效新穎的親水性胺基人工水通道，可通過控制樣品含量的方法，實現自適應傳輸水分子或水簇，同時排除幾乎所有離子甚至質子。其結構如圖2所示，在該類分子中，辛基作為分子的“尾巴”，可以使分子有效地嵌入細胞膜中；脲基作為結構的“骨架”，脲基之間連續且有序的電負性作用使分子呈一維緊密排列細胞膜水通道細胞膜水通道，兼具水通道的穩定性；含多烷基的衍生官能團作為分子的“頭部”，與水份子直接接觸，具有傳輸水分子且控制通道規格排除離子的作用。
圖2.甲基水通道的物理與晶體結構
進一步，研究者基于單純的細胞膜囊泡，檢查了水傳輸與離子傳輸的速度。水傳輸實驗中，在制備好的囊泡漂浮液中加入不同含量的通道分子，等待水通道嵌入且自組裝完成后，注入高滲透壓的氨水。通過-flow動態光散射實驗裝置記錄囊泡的收縮速率，經過估算得到單個通道最高可實現每秒傳輸2.33×108個水份子的速度，與天然水蛋白的水傳輸速度處于同一數目級。更有趣的是，研究者發覺隨著注入的通道分子含量的逐步降低，水傳輸速度也相應地線性提高，直到含量提高至mCLR=1.5以上，H2、H3與H4水通道的傳輸速度急劇躍升約兩個數目級，其他通道未發覺顯著提高。這一現象可解釋為：通道分子達到一定的堆積密度后，通道由原先窄小（2.7A?）的結構自發地轉變為大規格的孔道，并實現了對水簇的傳輸。該推論被分子動力學模擬結果所驗證。離子傳輸實驗在類似的條件下進行，通過剖析螢光數據，發覺這種甲基水通道完全不傳輸離子和質子，這一特點和天然水蛋白契合。
該工作首次在細胞膜上通過單一水通道實現了水份子或水簇的傳輸，并闡明了水份子/水簇傳輸的機理與特點。同時，優化了自組裝水通道的結構，實現了水通道對離子和質子的完全抵觸，豐富了人工跨膜水通道的種類。該研究擴寬了人工水通道的研究方向，使水通道有望突破細胞環境的局限，并為實現其在海水淡化膜等潛在的工業化應用設計根據與思路。
上述研究進展發表于學術刊物《美國物理會志》，并入圍封面論文。論文信息：L.-B.Huang,A.,I.,C.-A.Jegu,M.,A.,A.vanderLee,F.,M.,M..J.Am.Chem.Soc.2021,DOI:10.1021/jacs.。
該研究工作得到中國國家自然科學基金、留學基金委、廣東省國際科技合作基地以及美國dela等項目的支持。
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