导读
日前，东莞学院物理大学博士生黄礼博在Lehn功能材料研究所超分子物理与材料方向外籍导师院士的指导下，设计了一类高效新颖的亲水性胺基人工水通道，可通过控制样品含量的方法，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。相关研究进展发表于学术刊物《美国物理会志》，并入围封面论文。
蛋白质经过数千年的进化，演化出目前的功能与结构。其实蛋白质在生物体中的功能明显且高效，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。因而，通过物理设计与合成构建天然载体或通道蛋白，是当前物理研究最重要的目标之一。
水通道蛋白（）是生物体内广泛存在的天然蛋白，其在细胞膜上产生“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（water）在经过多年研究后，达到了极其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，目前已报导的人工水通道主要有以下几种类型：1）碳纳米管（CNT）；2）柱烯烃水通道（PAP5、PAH[4]、PAH5s等）；3）分子折叠体（）；4）有机笼分子（POC）；5）自组装吡啶水通道（I-）等，其中仅有PAH[4]和I-可在传输水的同时排除离子。因而，只有通过非常巧妙的分子设计，才可以实现天然水蛋白的所有功能，且兼顾低成本、可调节、稳定性和实用性等特点，因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
近期，佛山学院物理大学博士生黄礼博在Lehn功能材料研究所超分子物理与材料方向外籍导师院士的指导下，设计了一类高效新颖的亲水性胺基人工水通道，可通过控制样品含量的方法，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电负性作用使分子呈一维紧密排列细胞膜水通道细胞膜水通道，兼具水通道的稳定性；含多烷基的衍生官能团作为分子的“头部”，与水份子直接接触，具有传输水分子且控制通道规格排除离子的作用。
图2.甲基水通道的物理与晶体结构
进一步，研究者基于单纯的细胞膜囊泡，检查了水传输与离子传输的速度。水传输实验中，在制备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组装完成后，注入高渗透压的氨水。通过-flow动态光散射实验装置记录囊泡的收缩速率，经过估算得到单个通道最高可实现每秒传输2.33×108个水份子的速度，与天然水蛋白的水传输速度处于同一数目级。更有趣的是，研究者发觉随着注入的通道分子含量的逐步降低，水传输速度也相应地线性提高，直到含量提高至mCLR=1.5以上，H2、H3与H4水通道的传输速度急剧跃升约两个数目级，其他通道未发觉显著提高。这一现象可解释为：通道分子达到一定的堆积密度后，通道由原先窄小（2.7Å）的结构自发地转变为大规格的孔道，并实现了对水簇的传输。该推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，通过剖析萤光数据，发觉这种甲基水通道完全不传输离子和质子，这一特点和天然水蛋白契合。
该工作首次在细胞膜上通过单一水通道实现了水份子或水簇的传输，并阐明了水份子/水簇传输的机理与特点。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抵触，丰富了人工跨膜水通道的种类。该研究扩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根据与思路。
上述研究进展发表于学术刊物《美国物理会志》，并入围封面论文。论文信息：L.-B.Huang,A.,I.,C.-A.Jegu,M.,A.,A.vanderLee,F.,M.,M..J.Am.Chem.Soc.2021,DOI:10.1021/jacs.。
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美国dela等项目的支持。
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