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蛋白質(zhì)經(jīng)過數(shù)千年的進(jìn)化，演變出目前的功能與結(jié)構(gòu)。雖然蛋白質(zhì)在生物體中的功能顯著且高效，但其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和對(duì)環(huán)境的敏感性，極大地限制了其大規(guī)模合成以及在生物體外進(jìn)一步應(yīng)用的潛力。因此，通過化學(xué)設(shè)計(jì)與合成重構(gòu)天然載體或通道蛋白，是當(dāng)前化學(xué)研究最重要的目標(biāo)之一。

水通道蛋白（Aquaporins）是生物體內(nèi)廣泛存在的天然蛋白，其在細(xì)胞膜上形成“孔道”，可控制水在細(xì)胞的進(jìn)出，同時(shí)排除所有的離子。相應(yīng)地，人工水通道（Artificial water channels）在經(jīng)過多年研究后，達(dá)到了非常接近于天然水通道蛋白的性能，實(shí)現(xiàn)了水的跨膜傳輸。如圖1所示，目前已報(bào)道的人工水通道主要有以下幾種類型：1）碳納米管（CNT）；2）柱芳烴水通道（PAP5、PAH[4]、PAH5s等）；3）分子折疊體（Aquafoldamer）；4）有機(jī)籠分子（POC）；5）自組裝咪唑水通道（I-quartet channels）等，其中僅有PAH[4]和I-quartet可在傳輸水的同時(shí)排除離子。因此，只有通過十分巧妙的分子設(shè)計(jì)，才可以實(shí)現(xiàn)天然水蛋白的所有功能，且兼具低成本、可調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性和實(shí)用性等特性，從而為人工水通道在工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1. 主要的人工水通道結(jié)構(gòu)示意圖

近日，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生黃禮博在Lehn功能材料研究所超分子化學(xué)與材料方向外籍導(dǎo)師Mihail Barboiu教授的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一類高效新穎的親水性羥基人工水通道，可通過控制樣品濃度的方式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸水分子或水簇，同時(shí)排除幾乎所有離子甚至質(zhì)子。其結(jié)構(gòu)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(xì)胞膜中；脲基作為結(jié)構(gòu)的“骨架”，脲基之間連續(xù)且有序的氫鍵作用使分子呈一維緊密排列，兼顧水通道的穩(wěn)定性；含多羥基的衍生基團(tuán)作為分子的“頭部”，與水分子直接接觸，具有傳輸水分子且控制通道尺寸排除離子的作用。

圖2. 羥基水通道的化學(xué)與晶體結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步，研究者基于單純的細(xì)胞膜囊泡，檢測了水傳輸與離子傳輸?shù)乃俾?。水傳輸?shí)驗(yàn)中，在制備好的囊泡懸浮液中加入不同濃度的通道分子，等待水通道嵌入且自組裝完成后，注入高滲透壓的溶液。通過Stopped-flow動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)裝置記錄囊泡的收縮速度，經(jīng)過計(jì)算得到單個(gè)通道最高可實(shí)現(xiàn)每秒傳輸2.33×108個(gè)水分子的速率，與天然水蛋白的水傳輸速率處于同一數(shù)量級(jí)。更有趣的是，研究者發(fā)現(xiàn)隨著注入的通道分子濃度的逐漸增加，水傳輸速率也相應(yīng)地線性提升，直至濃度提升至mCLR = 1.5以上，H2、H3與H4水通道的傳輸速率大幅躍升約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其他通道未發(fā)現(xiàn)明顯提升。這一現(xiàn)象可解釋為：通道分子達(dá)到一定的堆積密度后，通道由原本狹窄（2.7 A?）的結(jié)構(gòu)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叽绲目椎?，并?shí)現(xiàn)了對(duì)水簇的傳輸。該結(jié)論被分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果所驗(yàn)證。離子傳輸實(shí)驗(yàn)在類似的條件下進(jìn)行，通過分析熒光數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)此類羥基水通道完全不傳輸離子和質(zhì)子，這一特性和天然水蛋白契合。

該工作首次在細(xì)胞膜上通過單一水通道實(shí)現(xiàn)了水分子或水簇的傳輸，并揭示了水分子/水簇傳輸?shù)臋C(jī)理與特性。同時(shí)，優(yōu)化了自組裝水通道的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水通道對(duì)離子和質(zhì)子的完全排斥，豐富了人工跨膜水通道的種類。該研究拓寬了人工水通道的研究方向，使水通道有望突破細(xì)胞環(huán)境的局限，并為實(shí)現(xiàn)其在海水淡化膜等潛在的工業(yè)化應(yīng)用設(shè)計(jì)依據(jù)與思路。

上述研究進(jìn)展發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會(huì)志》，并入選封面論文。論文信息：L.-B. Huang, A. Hardiagon, I. Kocsis, C.-A. Jegu, M. Deleanu, A. Gilles, A. van der Lee, F. Sterpone, M. Baaden, M. Barboiu. J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11952。論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c11952。

該研究工作得到中國國家自然科學(xué)基金、留學(xué)基金委、廣東省國際科技合作基地以及法國Agence Nationale de la Recherche WATERCHANNELS等項(xiàng)目的支持。

封面圖如下：

參考資料

[1] Lehn功能材料研究所研究進(jìn)展：羥基人工水通道——自適應(yīng)選擇性跨膜傳輸水分子/水簇的途徑http://ce.sysu.edu.cn/zh-hans/article/7964