海南大学最新nature:基于Foldamer的超渗透性和高度选择性的人工水通道,不包含质子

海南大学最新nature:基于Foldamer的超渗透性和高度选择性的人工水通道,不包含质子

第一作者:Arundhati Roy,Jie Shen
通讯作者:Huaqiang Zeng
通讯单位:海南大学,西北工业大学
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-021-00915-2
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-021-00915-2

水通道蛋白(AQPs)对水的超高选择性介导引发了最近不含离子的超分子人工水通道(AWCs)的新一轮的发展。基于AWC的生物仿生激励膜可用于海水淡化、水净化和其他分离应用之中。虽然最近在合成水透过性和离子选择性的水通道蛋白方面取得了一些进展,但是水通道蛋白的一个显著特征–不包含质子的高水分传输–还没有被再现。

本文报告了一类仿生螺旋形孔形成的聚合物卷曲物,它可以作为高度选择性超快导电通道的长期介质,其性能超过AQP(AQP1:每秒1.1×1010个水分子),内部孔表面的模块化可调疏水性赋予其高的水对单价离子转运选择性(C1-离子上约108个水分子)。本文报道的表现最佳的AWC以异常高的速率输送水(即AQP1的2.5倍)同时排斥盐(氯化钠和KCl)甚至质子。

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要点:
最近报道了聚合物通道3(图1a)是来源于氢键刚性的折叠酰胺基肼骨架。由于疏水甲基的存在,内部的O原子分离良好,因此不能形成收敛的阳离子结合袋(图1b),但它允许阴离子传输。本文考虑到这些设计原则,3中的内部甲基(Me)被乙基(Et)或丙基(Pr)取代,以提供两类新的聚合物通道4和5。这种新的聚合物通道具有较小的疏水腔以最小化阴离子特异性相互作用。

通过在1M NaCl包围的POPC脂膜中嵌入通道,进行了全原子分子动力学(MD)模拟,以提供进一步的结构分析依据。正如预期的那样,3和4都封闭了一个>4埃的充满水的大小的空腔(图1c),而5的空洞大多被PR组堵塞。

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本文作者推测,3和4可能比每秒传送109个水分子的速度还要快,因为它们的孔径比水分子大得多。通道3和4缺少亲水性端基来覆盖通道表面以跨越在其他水通道中观察的脂质双层结构,这导致本文的假设可能存在许多不利于水运输的通道情况。为了检验这一点,将羧酸类“脂质锚”(LAS;图2a)连接在3、4和5系列中最活跃通道的两端,分别产生3-LA、4-LA和5-LA,并评价它们的水分运输活性。

与3(不含LAS)相比,3-LA的导水率大大提高(图2b),在mLCR为6000:1时(图2c),其三次平均PSC值为36.58±1.97×10-14cm3 s-1。

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含LA的3-5(2.9 nm长,每个有26个1单元和25个2单元)和嵌入溶剂化POPC膜(图1C)的AQP1的平衡MD模拟得出:3-LA、4-LA、AQP1和5-LA的水分子渗透速率分别为3.60、1.90、1.20和0.08×109个水分子每秒(图3A)。

虽然这些数值与实验值并不完全匹配,但它们确实显示出一个明显的趋势,即3-LA和4-LA对水的渗透性都比AQP1强,其中5-LA的渗透性最差。在它们的非氢原子不再被限制在最初理想模型的位置之后,可以观察到3-LA和4-LA容纳了相当多的水分子(图3B),这最终导致了水通量的增加。

总之,在这里提出了基于折叠体的超渗透AWCs分子进化的新策略,这些AWCs来源于完全氢键结合的螺旋折叠成孔酰肼骨架。内部基团的调整和LAs的附着被用来增强水渗透性和盐排斥。表现出2.7× 1010个水分子每秒的超高单通道水渗透性,并且,渗透性最高的通道4-LA还有进一步提高排斥盐和质子的能力。本文制备出第一个纳米大小的AWC,真正模拟了生物水道的关键水传输特征。这种可超渗透的人造AQP有可能成为制造下一代水净化膜的首选候选材料,也有可能成为其他具有挑战性的纳米生物技术应用的首选材料。

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