蛋白質經過數千年的進化，演變出目前的功能與結構。雖然蛋白質在生物體中的功能顯著且高效，但其結構的復雜性和對環境的敏感性，極大地限制了其大規模合成以及在生物體外進一步應用的潛力。因此，通過化學設計與合成重構天然載體或通道蛋白，是當前化學研究最重要的目標之一。
水通道蛋白（Aquaporins）是生物體內廣泛存在的天然蛋白，其在細胞膜上形成“孔道”，可控制水在細胞的進出，同時排除所有的離子。相應地，人工水通道（Artificial water channels）在經過多年研究后，達到了非常接近于天然水通道蛋白的性能，實現了水的跨膜傳輸。如圖1所示，目前已報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可在傳輸水的同時排除離子。因此，只有通過十分巧妙的分子設計，才可以實現天然水蛋白的所有功能，且兼具低成本、可調節、穩定性和實用性等特性，從而為人工水通道在工業化應用奠定基礎。
圖1. 主要的人工水通道結構示意圖
近日，我校化學學院博士生黃禮博在Lehn功能材料研究所超分子化學與材料方向外籍導師Mihail Barboiu教授的指導下，設計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，實現自適應傳輸水分子或水簇，同時排除幾乎所有離子甚至質子。其結構如圖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胞膜中；脲基作為結構的“骨架”，脲基之間連續且有序的氫鍵作用使分子呈一維緊密排列，兼顧水通道的穩定性；含多羥基的衍生基團作為分子的“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. 羥基水通道的化學與晶體結構
進一步，研究者基于單純的細胞膜囊泡，檢測了水傳輸與離子傳輸的速率。水傳輸實驗中，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動態光散射實驗裝置記錄囊泡的收縮速度，經過計算得到單個通道最高可實現每秒傳輸2.33×108個水分子的速率，與天然水蛋白的水傳輸速率處于同一數量級。更有趣的是，研究者發現隨著注入的通道分子濃度的逐漸增加，水傳輸速率也相應地線性提升，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數量級，其他通道未發現明顯提升。這一現象可解釋為：通道分子達到一定的堆積密度后，通道由原本狹窄（2.7 A?）的結構自發地轉變為大尺寸的孔道，并實現了對水簇的傳輸。該結論被分子動力學模擬結果所驗證。離子傳輸實驗在類似的條件下進行，通過分析熒光數據，發現此類羥基水通道完全不傳輸離子和質子，這一特性和天然水蛋白契合。
該工作首次在細胞膜上通過單一水通道實現了水分子或水簇的傳輸，并揭示了水分子/水簇傳輸的機理與特性。同時，優化了自組裝水通道的結構，實現了水通道對離子和質子的完全排斥，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胞環境的局限，并為實現其在海水淡化膜等潛在的工業化應用設計依據與思路。
上述研究進展發表于學術期刊《美國化學會志》，并入選封面論文。該研究工作得到中國國家自然科學基金、留學基金委、廣東省國際科技合作基地以及法國Agence Nationale de la Recherche WATERCHANNELS等項目的支持。
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。
