近日，材化学院刘俊秋教授团队在智能人工钾离子通道构筑方面取得最近进展，相关研究发表于国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.论文题目为“Flexible Single-Chain Heteropolymer-Derived Transmembrane Ion Channels with High K+ Selectivity and Tunable pH-Gated Characteristics”。

众所周知，由通道蛋白介导的离子跨膜传输对维持生命活动的正常运行具有十分重要的意义。从天然通道蛋白的结构和性质关系中获取灵感，是开发新型仿生离子通道的重要手段之一。绝大多数天然通道蛋白（例如KcsA、H+,K+-ATPase等）在离子传输过程中会同时表现出较高的离子选择性以及刺激响应门控特性。受此启发，科学家们已经制备出了各式各样的人工离子通道模型。然而这些人工离子通道在设计、制备以及结构表征相对较为繁琐，并且缺乏动态可逆调节的特性。如何通过快速简便的方法制备出新型智能的人工离子跨膜通道仍然十分具有挑战性。近年来，由于合成简单、性能优异等特点，基于聚合物的离子通道逐渐受到科学家们的广泛关注。在本论文当中，研究人员采用简单的“一锅法”聚合反应，制备了一系列侧链含有苯并18-冠醚-6基团的柔性聚合物并对其离子跨膜传输性质进行了详细研究（图1）。

图1 柔性聚合物通道的结构式以及离子传输示意图

研究发现，在一定的单体比例条件下，柔性聚合物上的冠醚基团可以对钾离子进行选择性跨膜传输。由于胆固醇具有十分优异的嵌膜能力，因此，当在聚合物当中引入少量胆固醇作为“锚定”基团，可以使聚合物的嵌膜稳定性大大增加，并且通道的K+/Na+传输的选择性也得到了明显增强（图2）。平面脂双层单通道电流实验表明，不含胆固醇基团的聚合物P1在磷脂膜上并没有形成稳定孔道结构，而是以载体形式进行离子跨膜传递。而含有胆固醇作为“锚定”基团的聚合物P2在可以明显观测到平稳的方波型电流信号，因此可以判断苯并18-冠醚-6基团能够在P2上排列形成规则纳米孔并进行离子传输。

图2 柔性聚合物通道的离子传输性质

此外，研究人员还通过在聚合物中引入对酸敏感的烷基胺侧链，得到了pH门控型聚合物通道P3（图3）。众所周知，18-冠醚-6与质子化的氨基有较强的结合能力，而与去质子化氨基的结合能力较弱。因此，在酸性条件下（pH = 4），烷基胺基团处于质子化状态，能够与冠醚基团形成主−客体复合物，从而实现对离子通道关闭。在碱性条件下（pH = 12），烷基胺基团发生去质子化并从冠醚基团中解离出来，最终实现了通道的重新开启。通过调节溶液pH的方式，改变18-冠醚-6与−NH2/−NH3+基团之间的复合与解复合，实现了对该柔性聚合物通道开−关的智能调控。

图3 柔性聚合物通道的pH门控特性

杭州师范大学博士后闫腾飞为论文的第一作者，材化学院刘俊秋教授、青年教师孙鸿程及新加坡国立大学王婷婷博士为论文共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。本工作受到国家自然科学基金委（22161142015，22105056）以及国家重点研发计划（2020YFA0907003，2020YFA0908501）等项目的联合支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202210214