湖南大學(xué)何清團(tuán)隊Chem：全酰胺超蕃實(shí)現(xiàn)仿生次級主動離子運(yùn)輸

在生物化學(xué)體系中，離子的跨膜定向遷移是細(xì)胞維持穩(wěn)態(tài)及生命非平衡狀態(tài)的核心。其中，主動運(yùn)輸（Active Transport）通過驅(qū)動離子逆濃度梯度遷移，在神經(jīng)信號傳導(dǎo)、滲透壓調(diào)節(jié)及代謝轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著決定性作用。相比于直接消耗代謝能（如ATP）的初級主動運(yùn)輸，次級主動運(yùn)輸（Secondary Active Transport）巧妙地利用既有的化學(xué)梯度作為驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物種的選擇性逆濃度富集。然而，在人工超分子體系中，如何擺脫對光、電及化學(xué)燃料等外部能量輸入的依賴，僅依靠分子載體自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計感知并利用環(huán)境勢差，實(shí)現(xiàn)離子的次級主動轉(zhuǎn)運(yùn)始終是超分子與仿生工程領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的核心科學(xué)問題。

近日，湖南大學(xué)何清教授與美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jonathan L. Sessler教授團(tuán)隊在國際頂尖化學(xué)期刊《Chem》上發(fā)表了題為“Secondary active ion transport against concentration gradients”的最新研究成果。該研究報道了一種能夠在既有的化學(xué)梯度驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)逆濃度梯度離子遷移的人工分子體系，為人工次級主動運(yùn)輸?shù)臉?gòu)建提供了新的思路。

圖1.生物與人工離子傳輸示意圖。(A)由外部能量輸入驅(qū)動的生物初級主動運(yùn)輸； (B)由既有的化學(xué)梯度的生物次級主動運(yùn)輸； (C)由外部能量輸入驅(qū)動的人工初級主動運(yùn)輸； (D)由濃度梯度驅(qū)動的生物被動運(yùn)輸； (E)由濃度梯度驅(qū)動的人工被動運(yùn)輸； (F)由電化學(xué)梯度驅(qū)動的人工次級主動運(yùn)輸（本文工作）。

一、 全酰胺超蕃載體的設(shè)計與合成

研究團(tuán)隊通過亞胺縮合與Pinnick氧化反應(yīng)，構(gòu)建了一種高度對稱的全酰胺超蕃分子籠POP-SP。該超蕃具有高度預(yù)組織的三維空腔，其內(nèi)部排列有12個指向籠腔中心的酰胺氫鍵位點(diǎn)，可為陰離子提供多點(diǎn)協(xié)同結(jié)合環(huán)境。主客體實(shí)驗表明，POP-SP對NO3?（Ka= 1987 ± 311 M?1）表現(xiàn)出顯著優(yōu)于Cl?、F?及HCO3?等競爭陰離子的結(jié)合能力。單晶X射線衍射進(jìn)一步證實(shí)，NO3?被穩(wěn)定包結(jié)于超蕃空腔內(nèi)部，并通過多重氫鍵形成高度匹配的限域結(jié)構(gòu)。

圖2.全酰胺超蕃分子籠POP-SP的合成策略及NO??@POP-SP復(fù)合物結(jié)構(gòu)鑒定。(A) POP-SP的兩種合成策略； (B) POP-SP在無（下）和加入20當(dāng)量（上）NO??（以四丁基銨鹽TBA?形式加入）條件下，于DMSO-d?/D?O（9:1，v/v）中的部分1H NMR譜圖； (C) NO??·H?O@POP-SP復(fù)合物單晶結(jié)構(gòu)的正視圖； (D) NO??·H?O@POP-SP復(fù)合物單晶結(jié)構(gòu)的俯視圖。

二、 實(shí)現(xiàn)逆濃度梯度NO??跨膜遷移

研究團(tuán)隊進(jìn)一步利用U型管液膜體系研究POP-SP的跨膜運(yùn)輸行為。實(shí)驗結(jié)果顯示，即使在多種競爭陰離子共存條件下，POP-SP仍能夠選擇性介導(dǎo)NO??跨膜遷移，而Cl?、F?及HCO??等離子的運(yùn)輸幾乎可以忽略，展現(xiàn)出優(yōu)異的識別精度與傳輸選擇性。更重要的是，在源相（IN相）與接收相（OUT相）NO??初始濃度相同的條件下，當(dāng)IN相引入高濃度競爭鹽（如NaCl或Na?SO?）后，研究者觀察到NO??持續(xù)向OUT相富集。這一現(xiàn)象表明，該體系已經(jīng)突破傳統(tǒng)被動擴(kuò)散模式，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的逆濃度梯度離子遷移。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同水合能的竟?fàn)廂}會顯著影響NO??的傳輸效率，說明體系的驅(qū)動力來源于竟?fàn)廂}所建立的跨膜電化學(xué)勢差。

圖3.硝酸根離子傳輸研究。(A) U形管液膜傳輸裝置示意圖；(B) OUT相（初始為去離子水）中NO??濃度隨時間變化曲線：分別比較僅含100 ppm NaNO?（紅色）以及含100 ppm NaNO?并同時含有競爭陰離子F?、Cl?和HCO??（質(zhì)量比1:1:1）的體系，其中競爭鹽總濃度分別為100 ppm（青色）和1,000 ppm（黑色）；(C)當(dāng)IN相（初始含1,000 ppm NaNO?）中加入飽和鈉鹽（NaF、NaBr、NaHCO?、NaCl、Na?SO?和Na?HPO?）時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加；(D)當(dāng)IN相中加入1.0 M鈉鹽（NaF、NaBr、NaHCO?、NaCl、Na?SO?和Na?HPO?），且各體系初始均含1,000 ppm NaNO?時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加；(E)當(dāng)IN相中加入不同陽離子的1.0 M氯化物鹽（Na?、TEA?、Mg2?和La3?），且各體系初始均含1,000 ppm NaNO?時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加。所有實(shí)驗中，POP-SP（1,627 ppm；1.0 mM）均溶解于CHCl?膜相中，OUT相中的NO??濃度通過離子色譜（IC）測定。誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD，n = 3）。

三、 電化學(xué)勢差驅(qū)動的人工次級主動運(yùn)輸機(jī)制

結(jié)合分子動力學(xué)模擬與15N NMR波譜分析，作者提出了POP-SP介導(dǎo)主動運(yùn)輸?shù)目赡軝C(jī)制。

1. 高鹽環(huán)境促進(jìn)NO??脫溶劑化

在高鹽IN相（如Na?SO?或NaCl體系）中，目標(biāo)陰離子NO??的跨膜轉(zhuǎn)移首先受到溶劑化環(huán)境的顯著調(diào)控。高水合能力的背景離子可能通過改變水結(jié)構(gòu)與離子–水相互作用，削弱NO??的局域水合穩(wěn)定性，從而降低其進(jìn)入有機(jī)相所需的脫溶劑化能壘。在此基礎(chǔ)上，POP-SP憑借其預(yù)組織空腔與多點(diǎn)氫鍵位點(diǎn)，對部分脫水的NO??產(chǎn)生選擇性識別作用，形成主客體復(fù)合物 [NO? ? POP-SP]?，實(shí)現(xiàn)界面捕獲。

2. 主客體復(fù)合物跨膜擴(kuò)散

形成的復(fù)合物在有機(jī)相中通過濃度梯度驅(qū)動發(fā)生擴(kuò)散遷移。為維持整體電荷平衡，Na?以對離子的形式參與遷移過程，形成動態(tài)離子對環(huán)境，從而促進(jìn)復(fù)合物在疏水相中的穩(wěn)定傳輸。與此同時，POP-SP的籠狀結(jié)構(gòu)在空間上屏蔽溶劑與雜質(zhì)干擾，提高了運(yùn)輸過程的選擇性與方向性。

3.再水合驅(qū)動的釋放過程

當(dāng)復(fù)合物到達(dá)低離子強(qiáng)度的OUT相時，局部溶劑化環(huán)境發(fā)生顯著變化。在自由水分子較多的環(huán)境中，NO??與水的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其與載體之間結(jié)合自由能的重新分配，從而促進(jìn)客體釋放并進(jìn)入水相。釋放后的POP-SP恢復(fù)空載狀態(tài)。

4. 載體再生與循環(huán)（載體回收）：

脫載后的空載體（POP-SP）在濃度梯度驅(qū)動下，經(jīng)有機(jī)膜擴(kuò)散回IN相界面，開啟下一輪捕獲循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖4. POP-SP介導(dǎo)NaNO?通過CHCl?膜在U形管體系中進(jìn)行主動傳輸?shù)氖疽鈭D。

四、 結(jié)論與學(xué)術(shù)意義

該工作通過理性超分子構(gòu)效關(guān)系設(shè)計，發(fā)展了一類基于全酰胺超蕃分子籠的新型陰離子載體，實(shí)現(xiàn)了無需光、電或化學(xué)燃料驅(qū)動的人工次級主動離子運(yùn)輸。與傳統(tǒng)依賴外部刺激的人工主動運(yùn)輸體系不同，該體系僅依賴既有的化學(xué)梯度即可實(shí)現(xiàn)NO??的逆濃度梯度遷移，展現(xiàn)出與生物膜泵相似的功能特征。這一研究不僅為人工主動運(yùn)輸體系的構(gòu)建提供了新的分子模型，也為復(fù)雜鹽環(huán)境中的離子分離、資源回收以及仿生分子機(jī)器設(shè)計提供了新的研究思路。

文獻(xiàn)詳情

Title：Secondary active ion transport against concentration gradients

Authors:Wei Zhou, Meiyue Zhang , Xiao Cai, Aimin Li, Ke Luo, Zhiqing Long, Qiang Liu,Jonathan L. Sessler*,and Qing He*

To be cited as: Chem, 2026, 12,103069.

DOI: 10.1016/j.chempr.2026.103069

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103069

通訊作者介紹

何清，湖南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、國家海外高層次青年人才。2010年7月于湖南師范大學(xué)制藥工程系獲學(xué)士學(xué)位；2015年7月于中國科學(xué)院化學(xué)研究所獲得理學(xué)博士學(xué)位；2015年7月–2019年3月在（美國）德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校化學(xué)系從事博士后研究（合作導(dǎo)師為Jonathan L. Sessler教授）；2019年入選國家海外高層次人才青年項目回國工作，任湖南大學(xué)化學(xué)系教授。主持/承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃子課題等多項課題。主要研究方向為超分子化學(xué)和新型功能材料，包括分子籠化學(xué)（超蕃化學(xué)與塔籠化學(xué)）、新型非共價相互作用力、先進(jìn)超分子材料（非多孔非晶態(tài)超吸附材料、超分子離子傳導(dǎo)膜）和超分子分離技術(shù)。在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc.Rev.、Acc. Chem. Res.、Coordin. Chem. Rev.、CCS Chem.等國際著名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，申請/授權(quán)專利8項。榮獲2025年度“Thieme Chemistry Journals Award”、“2025 The Sessler Early Career Researcher Prize”等獎項。目前擔(dān)任《四面體》（Tetrahedron）和《四面體快報》（Tetrahedron Letters）青年編委、《Tetrahedron Chem》客座編輯。

喬納森·塞斯樂（Jonathan L. Sessler），1956年5月20日出生于美國伊利諾伊州，美國超分子化學(xué)家 ，中國科學(xué)院外籍院士，美國國家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院院士，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士，美國發(fā)明家科學(xué)院院士，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校化學(xué)教授。

喬納森·塞斯樂于1977年獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校化學(xué)學(xué)士學(xué)位；1982年獲斯坦福大學(xué)有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位；1982年—1984年在斯特拉斯堡大學(xué)和京都大學(xué)從事博士后研究工作；1984年9月任德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校化學(xué)助理教授；1989年9月晉升為副教授；1992年9月晉升為教授；2015年9月任上海大學(xué)特聘教授；2015年當(dāng)選為美國發(fā)明家科學(xué)院院士；2019年當(dāng)選為歐洲科學(xué)院院士；2021年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士；2022年當(dāng)選為美國藝術(shù)與科學(xué)院院士；2023年11月當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。

喬納森·塞斯樂主要研究領(lǐng)域為生物無機(jī)化學(xué)、生物有機(jī)化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)藥物發(fā)現(xiàn)與診斷、環(huán)境化學(xué)等。他創(chuàng)建了擴(kuò)展卟啉主體體系，在化學(xué)、環(huán)境和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了突破性成果；開啟了人工合成吡咯大環(huán)的研究領(lǐng)域，重塑了對吡咯大環(huán)受體的認(rèn)識，推動和引領(lǐng)了超分子化學(xué)的發(fā)展。