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福州大学曾华强教授课题组Angew：基于吡啶与吡啶酮杂化折叠体的M2型人工质子通道

时间：2022-04-13 来源：浏览：

福州大学曾华强教授课题组Angew：基于吡啶与吡啶酮杂化折叠体的M2型人工质子通道

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仿生化学以自然界为灵感源泉，旨在利用化学手段模拟并替代天然产物所具备的独特的生物功能，来解决人类社会面临的各种复杂问题。其中，生物膜通道的存在使得精准控制离子和生物大分子等进出细胞成为可能，确保细胞功能的正常运转。这种集高活性和高选择性于一体得精准调控对生命体而言至关重要，却为仿生模拟生物膜通道的构建带来了极大的挑战。

近日， 福州大学化学学院曾华强教授课题组 在《 Angewandte Chemie International Edition 》期刊上发表了题为 “ Hybrid Pyridine-Pyridone Foldamer Channels as M2-Like Artificial Proton Channels ” 的论文。本论文以吡啶和吡啶酮为构建单元，通过一锅法的方式制备了排盐且排水分子的 ( AB ) _n 型高活性人工质子通道。其质子传输能力分别是自然界最快的质子通道短杆菌肽 gA 的 1.22 倍及 M2 质子通道的 11 倍。为未来基于人工质子通道的质子交换膜和通道型抗癌新药的研发提供了新的研究思路。

本论文的要点

1）高活性、高选择性跨膜人工质子通道的构筑

作者将吡啶与吡啶酮作为人工质子通道的构建单元，通过尝试不同的反应条件，最终成功利用 PyBOP 以一锅法的方式制备腔体直径 3 Å 、高度 3.4 nm 的 ( AB ) _n 型高效螺旋聚合物质子通道 4 （ 图 1 ）。

图 1 . 人工质子通道的结构示意图。

2）基于荧光囊泡的质子通道离子选择性测定

基于荧光囊泡的实验显示，用偶联试剂 PyBOP 所合成的高度 3.4nm 的聚合物通道 4 具有最好的离子传输活性。通过不同类型的荧光囊泡的交叉印证，通道分子在宏观层面表现出了对质子的选择性输运，而对 Li ⁺ ， Na+, K ⁺ ， Rb ⁺ ， Cs ⁺ , 以及 Cl ^- 都不具备输运能力（ 图 2 ）。

图 2 . 基于荧光囊泡的质子通道离子选择性测定实验。 a ）不同人工质子通道（ 1 - 6 和 P ₃₁ ）的相对质子输运速度， b ）人工质子通道 4 不输运碱金属和 c ）人工质子通道 4 不输运氯离子。

3）人工质子通道的单分子通道研究

作者随后利用平面脂双层膜片钳仪器对通道 4 在微观层面的离子传输能力进行了进一步的探索。数据显示，杂化聚合物质子通道的质子电导率达到了 252.6 ± 4.0 pS ，是自然界中最好的质子通道短杆菌肽 A 的 1.22 倍。同时 H ⁺ /Cl ^- ， H ⁺ /Na ⁺ 及 H ⁺ /K ⁺ 的选择性分别高达 167.6 ， 122.7 和 81.5 （ 图 3 ）。