通道蛋白跨膜转运离子是生命体系的关键过程之一。利用人工体系模拟这一过程不仅有助于透过复杂生命现象探究离子高效传输的本质规律，还有望克服天然通道蛋白稳定性差、产率低、成本高等限制，在生物医药、传感和膜分离等领域实现应用。然而，现有人工离子通道设计大多基于小分子，由于缺少模型方面的突破，基于聚合物的人工跨膜离子通道发展仍然较为缓慢。
华南理工大学郎超教授团队利用刷状聚合物开发了一种新型的人工离子通道模型。该模型巧妙地利用刷状聚合物伸展链构象，通过在“刷子”侧链上引入离子结合位点，基于“离子跳跃”机制实现跨膜传输。刷状聚合物离子通道显示出了优异的离子传输活性和选择性，为人工离子通道的设计和开发提供了新的模型和方向。共同通讯作者孔宪教授为本工作的完成提供了理论模拟的支持。
图1. 刷状聚合物的合成及表征。a. 三嵌段刷状聚合物通道；b. 大分子单体的化学结构；c. 三嵌段刷状聚合物的合成策略；d. 不同刷状聚合物的凝胶渗透色谱曲线；e. 刷状聚合物的分子量、分子量分布和主链聚合度。
在这项研究中，作者通过结合原子转移自由基聚合（ATRP）和开环易位聚合（ROMP）两种活性聚合方法，成功合成出了一系列具有窄分布、清晰结构的两亲性嵌段刷状聚合物。“Grafting-through”聚合策略的采用可以确保100%的接枝率，而活性聚合方法的使用也保证了对通道尺寸的较为精准的控制。为了系统性地探究刷状聚合物分子结构对离子传输活性的影响，作者合成了一系列结构参数不同的聚合物，包括不同的离子结合位点类型、亲疏水比例以及嵌段序列和结构等，为深入探究通道体系的结构-性能关系提供了良好的基础。
图2. 使用巨型单层磷脂囊泡（GUVs，a-c）与大型单层囊泡（LUVs，d-h）对刷状聚合物通道的离子传输行为的特性分析；d. HPTS方法的示意图；b. 刷状聚合物通道BB-PM与线性聚合物MM-P的离子传输活性；c. BB-PM、BB-OPM和BB-OPMO的离子传输活性；d. BB-PM、BB-OPM和BB-OPMO膜匹配稳定性的示意图；e. BB-OPMO、BB-OPSO和BB-OPLO的离子传输活性。
作者发现，刷状聚合物通道在体外的磷脂仿细胞模型中表现出了良好的离子传输活性，且传输活性高于线性聚合物，证明了拓扑结构影响离子通道的活性。作者还利用巨型单层磷脂囊泡（GUVs）直接在荧光显微镜下对离子传输过程进行了成像观察。作者通过调整刷状聚合物的亲疏水比例以及嵌段序列，研究了刷状聚合物结构尺寸对通道活性的影响。结果显示，具备“亲水-疏水-亲水”三嵌段结构的刷状聚合物通道表现出最高活性，这主要归因于该结构与磷脂双分子层的结构相匹配，使其稳定嵌入在膜上。此外，研究还表明改变刷状聚合物离子结合位点的化学特性也会影响离子传输，离子结合常数越大，传输活性也越高。
图3. a. 不同结合常数的刷状聚合物BB-OPMO、BB-OHO和BB-OMO的离子传输活性。b-c. BB-OPMO的阴离子和阳离子选择性；d. 在对称溶液中不同电压下观察到的刷状聚合物通道BB-OPM的单通道电流曲线；e. 在对称溶液中记录的BB-OPM的I-V曲线，确定了通道的氯离子电导为11±0.05 pS；f. 在不对称溶液中记录的BB-OPM的单通道电流曲线；g. 在不对称溶液中记录的BB-OPM的I-V曲线，确定了反转电压为-14 mV。
以脲基作为离子结合位点的刷状聚合物通道表现出了显著的阴离子选择性。利用平面脂双层（BLM）技术测量离子通道在单分子水平产生的离子电流，作者得到了通道的阴阳离子（Cl-/Na+）选择比为8.1。这些研究成果证明了基于刷状聚合物构建人工离子通道的有效策略，也为仿生分离膜、传感器以及生物医药等领域的应用提供了新的分子工具。该工作以“Artificial Channels Based on Bottlebrush Polymers: Enhanced Ion Transport Through Polymer Topology Control”为题发表在Angew上。文章的第一作者是华南理工大学的博士研究生蔺洋洋和硕士研究生吴蓓。
转自：高分子科学前沿
编辑：余锦婷
初审：郎超
复审：康德飞
终审：王林格
