奈米孔是一個高度跨學科的研究領域，在生物大分子測序、單分子測量、離子傳輸和膜技術等領域都產生了影響。然而受限於分子水平結構和化學均一性，奈米孔的測量精度面臨著從單分子水平發展至單原子尺度精度的挑戰。為此，馮建東、黃飛鶴、Aksimentiev等團隊合作提出一種新型大環分子奈米孔，利用化學合成策略“自下而上”構建奈米孔器件，實現了納米孔的分子水平可控制造和選擇性傳輸功能設計。在傳統生物奈米孔和固態奈米孔以外增加了一類新的穩定的分子奈米孔。
由於單個大分子奈米孔難以形成穩定的跨膜奈米孔器件，其離子電流難以準確測量，要證明單個合成奈米孔固有的鉀選擇性仍然具有挑戰性。這項工作中，浙江大學化學系馮建東研究員利用柱芳烴為主體，自下而上的設計了一種新型的大環分子（extended pillararene macrocycle，EPM），結合可同磷脂膜作用的側鏈穩定策略，首次成功構築了一種穩定的單通道的大環分子奈米孔（EPM），離子電流測量顯示其具有固有的顯著的陽離子選擇性，鉀離子相比鈉離子的選擇性達到了21倍。
圖1. EPM奈米孔選擇性傳導鉀離子的示意圖。
圖2. 基於EPM分子的合成奈米孔的結構
EPM奈米孔是一種柱芳烴衍生物，結構示意圖如圖2a所示。圖2b為EPM奈米孔修飾氨基酸側鏈的過程。
圖3. 離子透過單個EPM奈米孔傳輸的單通道記錄
作者為了證明EPM形成了單個穩定的奈米孔，採用了單通道電流記錄來測量離子傳輸效能。在圖3中展示的實驗中，觀察到了由於單個EPM分子依次插入磷脂膜事件而導致的離子電流的逐步增加。圖3b中的單通道電導直方圖表明在500 mM KCl中，EPM奈米孔的平均離子電導為99.28 ± 1.95 pS。
圖4. EPM奈米孔的鉀離子選擇性以及分子動力學模擬結果
由於EPM分子中心空腔的苯環富含電子對，因此其可以與陽離子發生相互作用。為了測試EPM與不同陽離子的超分子相互作用的特異性，在一系列鹽濃度下測量了鈉離子和鉀離子透過EPM孔單個通道的轉運過程。如圖4a-b所示，一系列實驗結果表明EPM奈米孔具有顯著的鉀離子選擇性，與鈉離子相比，鉀離子選擇性達到21倍。
為了揭示EPM奈米孔具有鉀離子選擇性的機理，作者與美國伊利諾伊大學香檳分校的Aleksei Aksimentiev合作，使用分子動力學模擬來計算離子轉運途徑，結合位點和自由能分佈等。模擬結果顯示EPM奈米孔的選擇性靈敏的取決於構型的變化，其中圖4c的PMF曲線表明，與鉀離子相比，穿過奈米孔時鈉離子明顯的會落入更深的能量勢阱中，進而需要翻越更高的能量勢壘，即鈉離子被EPM奈米孔“捕獲”得更深，與實驗中鉀離子選擇性的結果一致。
這項工作成功構建了穩定的單跨膜EPM奈米孔，並探索了其選擇性離子傳輸特性。該大環分子奈米孔直接受益於精確設計的分子幾何結構和功能，並且該奈米孔單層苯環的厚度使其具有提供超高靈敏度的潛力，未來可能會在單分子分析方面實現新的應用。
該研究成果近期發表在Journal of the American Chemical Society上，並被選為封面。該論文通訊作者為浙江大學化學系馮建東研究員和伊利諾伊大學香檳分校的Aleksei Aksimentiev教授，第一作者為馮建東課題組2018級博士生喬丹和Aleksei Aksimentiev課題組的博士後Himanshu Joshi，黃飛鶴教授以及其他作者也做出了重要貢獻。該工作得到了浙江省自然科學基金(LR20B050002)，國家自然科學基金(21974123)，國家重點研發計劃專案(2020YFA0211200)，中央高校基本科研業務費專項資金(2019XZZX003-01)，浙江大學百人計劃和美國國家科學基金會(DMR-1827346)的資助。。
來源：浙江大學
論文連結
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04910
