螺旋形单分子人工离子通道的合成与跨膜输送性质研究

Constructing artificial ion channels is one of long-standing research interests to systematically study the structures, properties and gating mechanisms of natural ion channels in biological organisms. This project focuses on the development of a novel unimolecular artificial ion channel that is mainly based on hollow helical aromatic polyamides. Upon tuning the axial length of the helix and the type of side chains, artificial ion channels are able to be functional in the membranes, revealing high stability and conducting abilities. Ion selectivity of the synthetic channel is expected to be greatly enhanced by adjusting diameter of local hollow cavity. Ion transport abilities are planned to be analyzed through NMR, large unilamellar vesicles with encapsulated fluorescent dyes and planar lipid membranes (BLM) techniques. Structure and activity relationship will be summarized on the basis of building model of the ion channel, and our results will provide supports for elucidating essence and profound mysteries of synthetic ion channels. In addition, the successful execution of this project will lay the foundation of numerous potential applications such as mass purification and clinical medicines.

建立人工离子通道模型是研究天然离子通道结构、功能和门控机制的重要途径。本项目设计以刚性的芳香酰胺为主要骨架构建中空的螺旋形大分子，并通过调节这种单分子螺旋的轴向长度和侧链种类，使其嵌入在磷脂双分子层中形成稳定性高、传输能力强的离子通道。此外，通过调节螺旋分子局部空腔的尺寸，提高离子通道对离子的选择性。通道的离子传输性能将通过核磁共振、荧光探针囊泡法和平面双层类脂膜等技术进行研究。建立通道模型，并在此基础上阐明这类离子通道的构效关系，揭示离子通道的本质及其运输机制。本项目的研究将对开发这类仿生通道在分离和净化、疾病治疗等领域的潜在应用具有重要的理论和实践意义。

发展结构与功能可调的超分子有机纳米管以及含孔材料，在开发物质分离和传输，纳米反应器等方面具有重要意义。本项目主要针对有机螺旋形分子和刚性环状分子的设计合成及相关性质开展了实验工作。一方面，我们制备了第一代和第二代刚性螺旋形折叠体分子，并研究了这些分子的自组装行为和传输性能。第一代螺旋分子形成的自组装纳米管可以允许质子穿过磷脂双分子层，对氢氧根也有较弱的输送能力。第二代螺旋分子所形成的自组装通道展现出了不同的离子传输性能，该通道只能运输氢氧根，而不允许质子穿过通道。因此第二代通道的离子输送能力表现出了选择性，这对于研究通道的构效关系具有指导意义。另一方面，通过客体诱导刚性大环形成结构明确的超分子有机纳米管，实现了大环的可控自组装，为下一步实现具有物质传输功能的人工合成通道奠定了坚实的基础。