蛋白质传输的“高速公路”

蛋白质是生命的物质基础，是构成细胞的基本有机大分子，是生命活动的主要承担者。然而，大多数蛋白质会在细胞质中的核糖体上进行合成，然后经由核膜上的核孔复合体（NPC）被转运到细胞核中，这一生理过程在细胞生长增殖过程中起着不可或缺的作用。一旦核孔蛋白转运出现问题，将会导致多种严重疾病。然而，细胞核膜结构的复杂性以及其在体外的不稳定性严重阻碍了人们对这一重要生理过程的进一步研究和开发。

为了研究物质跨膜传输过程，在过去的几十年里，人工纳米通道被开发并广泛应用于构建各种离子和分子门控。然而，到目前为止，由于蛋白质的尺寸较大（纳米级），空间位阻效应明显，使其在限域通道中的运输极其困难，更不用说实现高通量的蛋白质运输了——这种在生命活动中占据主导地位的大分子的预期传输效率远低于离子和小分子（亚纳米级）。因此，开发简单而可靠的蛋白质“高速公路”用于模拟生物体内核膜对蛋白质的传输过程对于科学家来说仍然是一个巨大的挑战。

近日，为了模拟蛋白质在限域通道内的快速传输，华中师范大学的李海兵教授和湖北大学张凡副教授在核孔复合物的启发下，制备了具有沙漏形纳米通道的聚合物（PET）膜来模拟核膜，将L-苯丙氨酸柱[5]芳烃（LPP5）作为识别受体不对称修饰引入纳米通道，形成不对称修饰的沙漏形纳米通道（Asym-LPP5 channel），构建蛋白质传输的“高速公路”，实现了蛋白质的高通量传输。通过荧光光谱及膜片钳技术检测发现，不对称修饰的纳米通道中蛋白质的传输通量为70.58 mmol m^-2 h^-1，是对照组未修饰的纳米通道（Unmodified channel）和对称修饰的纳米通道（Sym-LPP5 channel）的40.4倍和3.7倍。而蛋白质传输通量提高的原因：一方面是高表面电荷密度能够吸引更多的蛋白质进入纳米通道，另一方面不对称的表面化学结构使蛋白质形成更高的浓度梯度。

图1. 纳米通道中蛋白质的(a)传输示意图(b)单分子传输脉冲信号(c)浓度分布及(d)传输通量对比

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，华中师范大学博士研究生杨雷为第一作者，李海兵教授和张凡副教授为通讯作者。

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Construction of A High-flux Protein Transport Channel Inspired by the Nuclear Pore Complex

Lei Yang, Ming Cheng, Jiaxin Quan, Siyun Zhang, Lu Liu, Robert P. Johnson, Fan Zhang*, Haibing Li*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110273

导师介绍

李海兵，华中师范大学桂子学者特聘教授，教育部新世纪优秀人才，湖北省杰出青年人才。曾获教育部自然科学二等奖，湖北省自然科学奖，湖北省青年科技奖，武汉市青年科技奖。1998年于华中科技大学化学学院获得学士学位，2003年于武汉大学获理学博士，2003年至2004年在法国国家科研中心（CNRS）从事博士后研究，2004年至2005年在华中科技大学生命科学与技术学院任教，2010年至2012年在中科院化学所从事博士后研究（合作导师：江雷院士），2006年至今在华中师范大学化学学院任教，2015年至2016年作为高级访问学者访问美国犹他大学（合作教授：Henry S. White 院士和Peter Stang院士）。主持承担包括国家重点研发计划、国家自然科学重点基金等多项项目。

李海兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/10797 

课题组链接：

http://lilab.ccnu.edu.cn/ 

张凡，2018年博士毕业于华中师范大学。现任职于湖北大学化学化工学院副教授、硕士生导师，湖北省“楚天学子”人才项目入选者，主要从事纳米孔电分析化学研究。主持国家自然科学基金1项和湖北省自然科学基金1项。