on style="white-space: normal;">自然界中存在着许多广为人知的生物分子机器，例如收缩和放松肌肉的肌球蛋白、驱使细胞内物质移动的驱动蛋白以及能够使DNA解旋的解旋酶等。受此启发，化学家们在过去的几十年里创造出了各种类型的纳米级人工分子机器，这些人工分子机器在下一代纳米级电子产品的研发中具有广阔的应用前景。相比于天然分子机器蛋白，人工合成的产物在结构上要简单得多，同时其本身也蕴含着执行宏观机械运动的能力。科学家们合成出了一系列高效的分子机器，比如人工分子穿梭机、人工分子开关、人工分子转子/马达以及人工分子螺旋桨等。虽然人工分子转子/马达受到了科学界的广泛关注，但是它们潜在的跨膜传输能力还尚未有文献报导。西北工业大学曾华强课题组长期致力于发展通道蛋白的人工版本即人工跨膜运输体将通道蛋白的复杂结构简单化、单一功能多样化、稳定化、应用化。具体来说，结合超分子化学和生物学的原理，聚焦于具有新颖结构和独特功能的新型仿生人工跨膜输运体的构筑及在海水淡化，第三代单分子基因测序技术和抗癌新药开发中的应用。过去几年来，在具有高选择性的人工水通道和人工离子通道方面取得了一系列的创新成果。 近两年来，课题组运用分子机器概念开发了几类不同于传统离子通道或载体的基于全新跨膜传输机理的离子跨膜输运体、包括分子秋千、分子渔夫、分子四面体、分子球以及分子泳将。这些全新跨膜传输机理为离子的跨膜输运及抗癌药物的研发提供了一个崭新的视角和研究方向。近期，该课题组进一步运用分子机器概念，设计了一类非常规的离子转运体，人工分子转子。此类人工转子能够通过分子的旋转功能而不是利用传统的载体或通道机制来实现离子的高效跨膜输运。该人工分子转子体系由三个模块化可调组件组成，包含有长度为 40 Å的双胆固醇片段作为膜锚定定子、用于离子结合和传输的含冠醚转子结合体，以及基于碳碳三键的转轴。定子的主要作用是橫跨磷脂双分子层后将转轴固定在磷脂双分子层中间，这样转子即可通过转轴自由旋转（图1）。
图1.人工分子转子MR体系及参照分子Cr体系的设计与结构示意图。其中，双胆固醇片段为膜锚定定子，冠醚为用于离子结合和传输的转子结合体，碳碳三键为转轴。
为了探索其离子传输活性，作者制备了内含对pH敏感的HPTS染料的囊泡。当外部的钾离子或者钠离子通过分子转子传输进囊泡内部，由于需要平衡电荷，那么质子则需排出，囊泡内部pH值升高，HTPS荧光值则相应增加（图2）。
图2. 基于HPTS染料的囊泡实验示意图以及离子传输活性数据。
针对一系列含15冠5单元的MR5 和含18冠6单元的MR6以及对照化合物 Cr1和 Cr2（图1）的囊泡实验数据显示，只有能够自由旋转的分子转子体系才具有优良的离子传输活性。一方面，所有的分子转子在Na+ 和 K+ 离子传输方面都非常活跃，这从低至2.29 µM 相对于脂质的摩尔比为2.29 mol%的EC50 值可以判断出来。另外一方面，分子转子对于钾离子的传输都具有选择性（表1）。 表1. 不同分子转子对Na+ 和 K+的跨膜活性（EC50）以及K+/Na+选择性
为了进一步揭示分子转子体系的离子传输机理，作者另外设计了三类囊泡实验。如图3a所示的基于SPQ的囊泡实验利用的是SPQ染料的荧光值随着Cl-浓度增加而减弱的特征。与氯离子通道L8可导致SPQ荧光值发生较大的变化相对比，分子转子体系无法引起SPQ荧光值的变化证明分子转子不具有传递氯离子的功能。为了比较K+与H+的相对跨膜传输速率，作者引入了FCCP（一种已知的质子载体，图 3b）。如果离子传输体系MR5-C5促使K+的运输比H+ 或 OH- 快，则添加 FCCP 将加速质子流出以保持系统的电荷中性，随后导致 HPTS 染料的荧光增强。作者的猜想一致，实验的数据表明H+ 或 OH- 的传输是限速步骤。而羧基荧光素（CF）渗漏测定实验（图 3c）则被用来检查分子转子嵌膜后的膜完整性。当CF染料泄漏到囊外时，CF单体荧光强度则会增加。而蜂毒肽是一种能够在脂质膜上形成大于1 nm 的孔并在低浓度下有效破坏脂质膜的化合物。作者通过实验发现极低浓度下（0.3 µmol/L）蜂毒肽可以使得体系的荧光值急速增强。而分子转子在1 µmol/L的情况下荧光值几乎没有变化。因而，实验数据显示的离子传输活动确实源于分子转子固有的高离子传输能力，而不是由于分子转子在膜中形成大孔或破坏磷脂双分子层导致的。
图3. (a) 基于SPQ染料的囊泡实验，(b）基于FCCP参比的囊泡实验和c) 羧基荧光素（CF）渗漏测定实验。
当作者使用较难自由旋转的苯环取代碳碳三键（图4a, 4b），在同等条件下Cr3对钾离子的传输能力为39%。与可自由旋转的MR5-C5的99%的活性相比，这一结果表明可自由旋转的轴对于整个分子体系的离子传输能力具有非常重要的影响。而利用熔点为41.3 °C的DPPC取代熔点为-2 °C的EYPC时（图4c），作者发现MR5-C5的离子运输能力从99%骤降为0.2%。这一现象表明，离子传输是通过类似载体机理发生的，而非冠醚间自组装形成通道传输离子的。
图4. (a) Cr3的化学结构，(b)MR5-C5与Cr3的离子传输活性和c) EYPC与DPPC的对比数据。 在借鉴宏观转子结构的基础上，作者所设计的高度模块化可调的人工分子转子结构表现出了特异的离子结合以及运输能力。这种模块化可调的理念，为未来定向设计特定功能的分子转子系统及新型抗癌药物提供了新的思路。该成果沈杰为第一作者（现为西北工业大学教授），以“Molecular Rotors as A Class of Generally Highly Active Ion Transporters” 为题，最新发表于Science China Chemistry上（DOI: 10.1007/s11426-021-1082-7）。
