离子通道调控着细胞内外的离子流动，对神经信号传导、肌肉收缩和电解质平衡至关重要。研究人员受到生物离子通道的结构和功能启发，致力于设计或合成仿生纳米结构以模仿其特性。在追求与天然离子通道相媲美的离子渗透性和选择性方面，仿生钾离子通道的设计已经取得了令人瞩目的进展。然而，相较于天然钠通道所展现出的卓越性能——通常具备约0.02 kmol/s∙m²的Na⁺渗透率和高达100的钠/钾离子选择性，仿生钠离子通道的设计仍然面临巨大的挑战。新的理论认识对于改进仿生钠离子通道设计具有推动作用。然而，传统理论主要侧重于从化学配位角度审视问题，我们有必要重新从能量、频率和摩擦的角度审视离子通道的超快渗透率和超高选择性机制。

曾晓成教授团队基于理论模拟，设计了一种仿生钠离子通道模型，通过设计两对高度差为2.42 Å的羧基官能团嵌入到半径为5.35 Å的纳米管中实现的。模拟结果显示，该仿生钠离子通道有望实现与天然的通道在离子渗透率和选择性方面媲美的性能。支持该通道实现高离子渗透率和高离子选择性的关键物理机制被揭示为，该通道设计实现了钠离子通过通道的自由能势垒与室温下粒子的热动能相当，并且钠离子在通道内外具有相同的振动频率和扩散摩擦系数。然而，钾离子通过该通道的自由能势垒显著高于室温下粒子的热动能，并且钾离子在通道内的振动频率和摩擦系数显著高于其在通道外的值。

图1.仿生离子通道的理论设计，其钠离子渗透性和选择性可媲美天然钠离子通道。(a)钠离子通道蛋白的结构示意图，该蛋白允许钠离子透过细胞膜，并且其选择性过滤器具有四个羧基官能团。（b）仿生钠离子通道的设计示意图，两对对角线排列的羧基官能团修饰在碳纳米管内壁。(c-d) 天然和仿生通道的钠离子渗透率 (c) 和钠/钾离子比例 (d)。(e) 在钠离子跨膜过程中，羧基官能图补偿了离子在通道内失去的水合层。

图2. 实现钠离子超快渗透和超高选择性的仿生钠离子通道的最佳结构参数。(a) 在所有羧基官能团保持相同 z 位置（h = 0 Å）的情况下，离子渗透率和选择性随r 的变化。(b) 在r = 5.35 Å时，离子渗透率和选择性随h的变化。(c) 在h = 2.42 Å时，离子渗透率和选择性随r的变化。(d)在纳米管没有羧基官能团修饰时，离子渗透率和选择性随r 的变化。

图3. 离子沿仿生钠离子通道轴向的渗透自由能剖面。(a-b) 在h = 0 Å（a）和h = 2.42 Å（b）时，钠离子和钾离子跨越通道的一维渗透自由能曲线。(c-d) 在h = 2.42 Å时，钠离子（c）和钾离子（d）跨越通道的二维渗透自由能。

图4.仿生钠离子通道内外及不同 h值下，离子的水合特性。(a-b) 在不同h值下，钠离子（a）和钾离子（b）在通道内外配位的氧原子数量的概率分布。(c-d) 在h = 2.42 Å（c）和h = 0 Å（d）时，通道内钠离子和钾离子的脱水分子数量的概率分布。

图 5. 不同 h值通道内外钠离子（a, c）和钾离子（b, d）的振动谱（a, b）及摩擦系数（c, d）。对于h = 2.42 Å 的通道，通道内钠离子的主要振动频率和摩擦系数与其在溶液中的值几乎相等。相比之下，通道内钾离子的主要振动频率和摩擦系数远高于其在溶液中的值。对于h = 0 Å 的通道，通道内钠离子的主要振动频率和摩擦系数略高于其在溶液中的值。

朱智，上海理工大学光电信息与计算机工程学院副教授，博士生导师，主要研究方向涵盖太赫兹生物学、软凝聚态与生物物理、纳米科学与技术。在PRL、PNAS、JACS、J Phys Chem Lett、ACS photonics等国际知名期刊上发表了35篇高水平SCI论文。入选2019年度上海市青年科技英才杨帆计划和2023年度上海市青年科技启明星计划。

曾晓成，香港城市大学材料科学与工程系系主任及讲座教授，美国材料研究会会士，欧洲科学院外籍院士。曾晓成教授长期从事表面界面物理化学及纳米材料计算和设计的研究，是受限纳米水和冰、疏水性表面、金和硅团簇，纳米催化，二维纳米材料及钙钛矿材料理论模拟领域的国际领军人之一。发表702篇SCI论文,其中26篇在Nature/Science及子刊上发表，26篇PNAS，71篇JACS，45篇Nano Lett./ACS Nano,41篇Angewandte/Adv. Mater.／Adv.Energy Mater./Adv.Funct.Mater./Adv. Sci.，以及9篇Phys. Rev. Lett./Phys. Rev. X。论文Google Scholar总引用次数超过 55000 次 (H因子=119)，2019-2023 科睿唯安（Clarivate Web of Science）高被引学者。

王春雷，上海大学理学院研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，上海市非线性学会理事，中国颗粒学会青年理事。2004年本科毕业于山东大学，2010年博士毕业于中国科学院上海应用物理研究所。主要基于统计物理思想开展界面水的相变行为研究，重点关注固液体系中表面结构诱导界面水的无序—有序相变特性，以及其如何主动参与和调控界面物理性质和生物分子功能，主要包括表面浸润性质、结冰成核效应、双亲分子的溶解行为等。工作引发许多课题组的后续实验和理论工作。共发表文章90余篇，包括PNAS，PRL (2)，JACS, Nano Lett., Chem. Sci.等，引用3000余次。

Zhu Z, Zhao Y, Chang C, et al. Design of artificial biomimetic channels with Na⁺ permeation rate and selectivity potentially outperforming the natural sodium channel. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6797-9.