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杭師大劉俊秋教授團隊 Angew：基于單鏈柔性聚合物構筑的pH門控型人工鉀離子通道

2022-08-31 來源：高分子科技

由通道蛋白介導的離子跨膜傳輸對維持生命活動的正常運行具有十分重要的意義。從天然通道蛋白的結構和性質關系中獲取靈感，是開發新型仿生離子通道的重要手段之一。絕大多數天然通道蛋白（例如KcsA、H⁺,K⁺-ATPase等）在離子傳輸過程中會同時表現出較高的離子選擇性以及刺激響應門控特性。受此啟發，科學家們已經制備出了各式各樣的人工離子通道模型。然而這些人工離子通道在設計、制備以及結構表征相對較為繁瑣，并且缺乏動態可逆調節的特性。如何通過快速簡便的方法制備出新型智能的人工離子跨膜通道仍然十分具有挑戰性。

圖1柔性聚合物通道的結構式以及離子傳輸示意圖

杭州師范大學劉俊秋教授團隊采用簡單的“一鍋法”聚合反應，制備了一系列側鏈含有苯并18-冠醚-6基團的柔性聚合物并對其離子跨膜傳輸性質進行了詳細研究（圖1）。研究發現，在一定的單體比例條件下，柔性聚合物上的冠醚基團可以對鉀離子進行選擇性跨膜傳輸。由于膽固醇具有十分優異的嵌膜能力，因此，當在聚合物當中引入少量膽固醇作為“錨定”基團，可以使聚合物的嵌膜穩定性大大增加，并且通道的K⁺/Na⁺傳輸的選擇性也得到了明顯增強（圖2）。平面脂雙層單通道電流實驗表明，不含膽固醇基團的聚合物P1在磷脂膜上并沒有形成穩定孔道結構，而是以載體形式進行離子跨膜傳遞。而含有膽固醇作為“錨定”基團的聚合物P2在可以明顯觀測到平穩的方波型電流信號，因此可以判斷苯并18-冠醚-6基團能夠在P2上排列形成規則納米孔并進行離子傳輸。

圖2柔性聚合物通道的離子傳輸性質

此外，研究人員還通過在聚合物中引入對酸敏感的烷基胺側鏈，得到了pH門控型聚合物通道P3（圖3）。眾所周知，18-冠醚-6與質子化的氨基有較強的結合能力，而與去質子化氨基的結合能力較弱。因此，在酸性條件下（pH = 4），烷基胺基團處于質子化狀態，能夠與冠醚基團形成主?客體復合物，從而實現對離子通道關閉。在堿性條件下（pH = 12），烷基胺基團發生去質子化并從冠醚基團中解離出來，最終實現了通道的重新開啟。通過調節溶液pH的方式，改變18-冠醚-6與?NH₂/?NH₃⁺基團之間的復合與解復合，實現了對該柔性聚合物通道開?關的智能調控。

圖3柔性聚合物通道的pH門控特性

該工作是團隊近期在門控離子通相關研究的最新進展之一，以題為“Flexible Single-Chain Heteropolymer-Derived Transmembrane Ion Channels with High K⁺ Selectivity and Tunable pH-Gated Characteristics”發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。論文的第一作者為杭州師范大學博士后閆騰飛博士，杭州師范大學劉俊秋教授、孫鴻程副教授及新加坡國立大學王婷婷博士為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委以及國家重點研發計劃等項目聯合支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202210214

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（責任編輯：xu）

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