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杭師大劉俊秋教授團(tuán)隊(duì) Angew:基于單鏈柔性聚合物構(gòu)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(dǎo)的離子跨膜傳輸對(duì)維持生命活動(dòng)的正常運(yùn)行具有十分重要的意義。從天然通道蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系中獲取靈感,是開發(fā)新型仿生離子通道的重要手段之一。絕大多數(shù)天然通道蛋白(例如KcsA、H+,K+-ATPase等)在離子傳輸過程中會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出較高的離子選擇性以及刺激響應(yīng)門控特性。受此啟發(fā),科學(xué)家們已經(jīng)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(shè)計(jì)、制備以及結(jié)構(gòu)表征相對(duì)較為繁瑣,并且缺乏動(dòng)態(tài)可逆調(diào)節(jié)的特性。如何通過快速簡(jiǎn)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(zhàn)性。

 

1柔性聚合物通道的結(jié)構(gòu)式以及離子傳輸示意圖


  杭州師范大學(xué)劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)采用簡(jiǎn)單的一鍋法聚合反應(yīng),制備了一系列側(cè)鏈含有苯并18-冠醚-6基團(tuán)的柔性聚合物并對(duì)其離子跨膜傳輸性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)研究(圖1。研究發(fā)現(xiàn),在一定的單體比例條件下,柔性聚合物上的冠醚基團(tuán)可以對(duì)鉀離子進(jìn)行選擇性跨膜傳輸。由于膽固醇具有十分優(yōu)異的嵌膜能力,因此,當(dāng)在聚合物當(dāng)中引入少量膽固醇作為“錨定”基團(tuán),可以使聚合物的嵌膜穩(wěn)定性大大增加,并且通道的K+/Na+傳輸?shù)倪x擇性也得到了明顯增強(qiáng)(圖2)。平面脂雙層單通道電流實(shí)驗(yàn)表明,不含膽固醇基團(tuán)的聚合物P1在磷脂膜上并沒有形成穩(wěn)定孔道結(jié)構(gòu),而是以載體形式進(jìn)行離子跨膜傳遞。而含有膽固醇作為“錨定”基團(tuán)的聚合物P2在可以明顯觀測(cè)到平穩(wěn)的方波型電流信號(hào),因此可以判斷苯并18-冠醚-6基團(tuán)能夠在P2上排列形成規(guī)則納米孔并進(jìn)行離子傳輸。 


2柔性聚合物通道的離子傳輸性質(zhì)


  此外,研究人員還通過在聚合物中引入對(duì)酸敏感的烷基胺側(cè)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(zhì)子化的氨基有較強(qiáng)的結(jié)合能力,而與去質(zhì)子化氨基的結(jié)合能力較弱。因此,在酸性條件下(pH = 4),烷基胺基團(tuán)處于質(zhì)子化狀態(tài),能夠與冠醚基團(tuán)形成主?客體復(fù)合物,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子通道關(guān)閉。在堿性條件下(pH = 12),烷基胺基團(tuán)發(fā)生去質(zhì)子化并從冠醚基團(tuán)中解離出來,最終實(shí)現(xiàn)了通道的重新開啟。通過調(diào)節(jié)溶液pH的方式,改變18-冠醚-6?NH2/?NH3+基團(tuán)之間的復(fù)合與解復(fù)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)該柔性聚合物通道開?關(guān)的智能調(diào)控。 


3柔性聚合物通道的pH門控特性


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期在門控離子通相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一,以題為Flexible Single-Chain Heteropolymer-Derived Transmembrane Ion Channels with High K+ Selectivity and Tunable pH-Gated Characteristics”發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。論文的第一作者為杭州師范大學(xué)博士后閆騰飛博士,杭州師范大學(xué)劉俊秋教授、孫鴻程副教授及新加坡國(guó)立大學(xué)王婷婷博士為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目聯(lián)合支持。


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

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