分子梭机械运动开启人工离子跨膜传输

细胞膜上的离子转运蛋白是活体细胞与周围环境进行物质交换、新陈代谢活动的重要途径，对实现细胞的各种功能具有重要的意义。其中许多天然转运蛋白是基于分子机器或分子泵的作用，在细胞膜或细胞器膜上，通过控制生命相关的离子或活性分子的跨膜运输来调节膜内外离子或分子的浓度梯度，进而使生命体得以正常运转。随着对这些生物机器结构及特性的认识和了解，科学工作者开始设计人工体系来模拟其结构与功能，从而为研究其运输机理提供简单的模型以及为治疗相关疾病提供潜在的药物。

虽然机械互锁的人工分子机器可以通过分子水平的机械运动模拟生物机器的一些功能，化学家们也已经试图利用分子互锁系统，例如准轮烷和轮烷分子，作为离子运载体实现离子的跨膜传输，但其作用机理只是基于传统基础上主客体识别的离子载体运输，并没有利用其特有的机械运动来实现运输过程。

近日，受生物分子机器的启发，华东理工大学的曲大辉（点击查看介绍）和包春燕（点击查看介绍）教授在Journal of the American Chemical Society 上发表了题为“An Artificial Molecular Shuttle Operates in Lipid Bilayers for Ion Transport ”的工作。该工作首次提出利用人工合成的分子机器-分子轮烷独特的梭动性质来实现转运蛋白结构与功能的模拟，进行高效、选择性的离子跨膜运输。根据课题组多年在构建人工离子传输体系领域（Chem. Commun., 2013, 49, 10311; Chem. Commun., 2016, 52, 13132; Chem. Commun., 2018, 54, 1249）和人工分子机器领域（Chem. Sci., 2016, 7, 1696; Chem. Sci., 2017, 8, 6777; Chem, 2018, 4, 2670）的研究基础，研究人员成功设计合成出一种具有三个结合位点的双亲[2]轮烷分子体系，该轮烷分子的分子线长度与磷脂膜匹配，插入并横跨磷脂双分子层，带有离子受体B18C6的滑动环在膜中通过位点间布朗运动，穿梭于膜的两侧，像缆车一样实现离子的被动运输。脂质体荧光实验证明轮烷分子机器能实现有效的跨膜离子运输，传输的EC₅₀值低至1.0 μM；位点和pH控制实验证明轮烷分子穿梭运动对离子的跨膜运输起到至关重要的作用；而冠醚大环的识别作用实现了钾离子的选择性运输。虽然人工分子机器实现了很多生物领域的应用，但应用在人工离子跨膜传输领域还是首例。作者希望这种简单的分子机器将为开发更有效和高选择性的离子传输体系提供新的机会，为促进该领域发展并加快其生物医药领域的应用提供研究基础。

该工作由华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心的博士陈素君和硕士王一川在包春燕教授、曲大辉教授的共同指导下完成，并获得了田禾院士、朱麟勇教授、龚学庆教授的大力支持和悉心指导。该研究成果得到国家自然科学基金、上海市科技重大项目以及“111”引智计划等资金的支持。

该论文作者为：Sujun Chen, Yichuan Wang, Ting Nie, Chunyan Bao, Chenxi Wang, Tianyi Xu, Qiuning Lin, Da-Hui Qu, Xueqing Gong, Yi Yang, Linyong Zhu and He Tian

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An Artificial Molecular Shuttle Operates in Lipid Bilayers for Ion Transport

J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b09580

导师介绍

曲大辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/26789

包春燕

http://www.x-mol.com/university/faculty/10484