基于离子跨膜传输在生理、病理和药理学上的重要作用，人工离子传输体系的合成与研究引起了化学家们的极大兴趣，在模拟天然体系转运机制和功能的同时，也为相关疾病的诊断和治疗提供潜在应用。
近日，我校化学与分子工程学院包春燕教授和曲大辉教授合作，在他们利用轮烷分子机器模拟天然转运蛋白的结构和功能，实现高效、阳离子选择性跨膜运输的工作基础上（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 17992-17998.），进一步引入偶氮苯光致异构基团，通过光调控轮烷梭动实现可逆ON/OFF离子跨膜运输，在具备高效、离子选择性的基础上，进一步实现了门控的离子传输。相关成果以“A Light-Operated Molecular Cable Car for Gated Ion Transport”为题，发表在 Angewandte Chemie International Edition（DOI：10.1002/anie.202102838）上。
如图所示，所设计的轮烷分子像缆车一样横跨整个磷脂双分子层膜，当偶氮苯为trans构象时(左)，轮烷分子在位点间随机、自由的穿梭可以实现离子的跨膜运输。当分子光异构化为cis构象时 (右)，弯曲的结构阻碍了轮烷的梭动，从而阻止了离子的跨膜运输。紫外光谱、一维及二维核磁结果证明了轮烷分子两种构象的光可逆异构化，并测得trans-异构体的梭动速率远高于cis-异构体。膜片钳和荧光脂质体跨膜活性实验证明，trans-异构体是一种高效的离子传输体系，能产生通道电流信号，说明分子能横跨磷脂膜通过位点间的梭动实现离子的高效传输。与trans-异构体相比，cis-异构体因轮烷梭动运动的受阻，离子跨膜活性大大降低，从而实现仿生膜上原位ON/OFF的光门控离子跨膜运输。本工作在发展新型光门控人工离子传输体系的同时，还将有助于理解膜蛋白的离子转运机制，有望运用分子机器的穿梭运动，实现轮烷类人工离子转运体系在新药研发领域的应用。
论文由我校费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心博士汪晨曦和硕士汪顺康在包春燕教授，曲大辉教授共同指导下完成，并获得了田禾院士、朱麟勇教授的大力支持和悉心指导。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科技重大项目以及“111”引智计划等资金的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202102838
