人工质子跨膜通道的示意图

近日，我院刘俊秋教授团队在国际著名期刊NANO LETTERS（IF = 11.2）上发表名为“Unimolecular Helix-Based Transmembrane Nanochannel with a Smallest Luminal Cavity of 1 Å Expressing High Proton Selectivity and Transport Activity”的通讯研究论文。

   众所周知，天然通道蛋白可以利用其独特的过滤结构实现对特定离子的高选择性跨膜传递。例如，天然钾离子通道KcsA是一种由四股螺旋组成的倒锥形结构，其内部最小尺寸为2.8 Å与钾离子尺寸高度匹配，能够有效的实现对钾离子的高选择性传递，并通过尺寸效应阻止其它离子的跨膜传输。受此启发，研究人员利用喹啉螺旋构建了一种内径约为1 Å单分子人工质子跨膜通道，由于质子的尺寸非常小，可以轻易地通过该纳米孔道进行跨膜传递。而其它阴、阳离子以及水分子等由于具有较大的空间尺寸则被有效地排除在外。以往的人工质子通道通常是利用孔道内连续的水线结构实现质子的跨膜传递，在这个过程当中尽管可以排除其它离子的通过，但是却无法阻止水分子的传输。而该基于人工螺旋的质子通道内径仅有1 Å，可以有效地将水分子排除在外。单分子膜片钳实验表明，该人工通道对质子的跨膜传输速率达到惊人的10⁷ H⁺∙s^-1∙channel^-1，与天然短杆菌肽A的质子传输速率达到同一个数量级。

喹啉螺旋的化学式与空间结构

   随后，研究人员又利用氢-氘交换核磁共振对该质子通道的传输机理进行了详细分析。结果表明，螺旋空腔内部连续排列的NH结构在质子跨膜传递过程当中起到了关键的作用。溶液中水合的质子通过与NH上的活泼氢进行交换，并利用磷脂膜两侧质子浓度差为驱动快速实现选择性跨膜传递。该基于喹啉螺旋的跨膜通道为迄今已知内径最小的人工纳米孔道结构。此外，该工作还发现了一种基于连续NH基团实现质子跨膜传输的新机制。该研究结果对于理解和模拟天然离子通道的传输行为具有重要的生物学意义，也为今后开发人工离子通道在生物医药领域的潜在应用提供了全新的思路。

人工质子跨膜通道的膜片钳单通道电流信号

杭州师范大学材化学院博士后闫腾飞为论文第一作者，青年教师孙鸿程博士、于双江特聘教授和刘俊秋教授为共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划项目（2020YFA0908500, 2018YFA0901600）和国家自然科学基金（22001054, 22075065）的支持。

论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03858