Angew. Chem. :基于含硫折叠体的人工锂离子通道

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人工离子通道领域的研究是一个不断师法自然,进而超越自然的过程。在过去的40年里,科研人员孜孜不倦的探索、开发各类新型的人工离子通道,以期能够完美模拟天然通道蛋白。在此期间,许多高效、高选择性跨膜输运Na+,K+,Cl-,H+和水分子的人工通道见诸报端。


在人类的日常生活中,随处可见锂元素的身影。例如,在医药(治疗双相情感障碍、阿尔兹海默症)和工业生产(陶瓷、锂电池)中,锂扮演着极为重要的角色。但是在自然界中,目前并没有发现一类能够特异性传输锂离子的通道蛋白。锂离子能够与钠离子竞争传输位点,从而通过钠离子通道蛋白来实现跨膜传输。当前,人工锂离子通道的研究非常缓慢,成功的案例屈指可数。因此,如何开发高效人工锂离子通道充满着挑战与机遇。


近日,福州大学化学学院曾华强课题组在人工锂离子通道的研究领域取得重要进展。作者基于含硫折叠体,以一锅法在温和条件下构筑了内空腔直径为3.6 Å的有机螺旋纳米管,实现了对锂离子的高选择性、高效跨膜输运。其中,锂/钠和锂/钾的选择性分别为15.3和19.9。



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荧光囊泡的实验显示,通过偶联试剂新戊酰氯(pivaloyl chloride)所合成的高度2.1nm的通道分子P15具有最好的离子传输活性。不同类型的荧光囊泡的交叉实验也显示,通道分子在宏观层面表现出了对锂离子的高选择性输运,对Na+,K+,Rb+,Cs+以及Cl-都不具备显著的输运能力。

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作者随后利用平面脂双层膜片钳仪器对P15在单分子层面的离子传输能力进行了进一步的探索。数据显示,P15对锂离子的传导率为18.4 pS,与短杆菌肽A的钾离子传输效率相当。同时,Li+/Na+和Li+/K+的选择性分别高达15.3和19.9。

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分子动力学模拟结果表明,相比于其他碱金属离子,尺寸最小的四水合锂离子更适宜于通过通道腔体。使用两种混合离子溶液体系(0.5 M LiCl + 0.5 M KCl 或0.5 M LiCl +0.5 M NaCl)进行理论计算时,通道内锂离子的平均密度是钠离子、钾离子的10倍以上。同时,P15内腔中的硫原子能够与锂离子形成配位作用。因而,P15对锂离子具有高效且高选择性传输的能力来自于水分子和硫原子的协同作用。

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综上所述,曾华强课题组基于含硫芳香折叠体构筑了一类高效、高选择性跨膜传输锂离子的人工通道分子。为未来锂离子通道型药物的开发和盐湖/海水提锂膜材料的制备提供了新的研究思路。

文信息

Sulfur-Containing Foldamer-Based Artificial Lithium Channels

Jie Shen, Deepa R, Zhongyan Li, Hyeonji Oh, Harekrushna Behera, Himanshu Joshi, Manish Kumar, Aleksei Aksimentiev and Huaqiang Zeng

福州大学沈杰研究员为论文第一作者,福州大学曾华强教授为通讯作者。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202305623




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