冯建东课题组：稳定的大环分子纳米孔离子传导器件
纳米孔是一个高度跨学科的研究领域，在生物大分子测序、单分子测量、离子传输和膜技术等领域都产生了影响。然而受限于分子水平结构和化学均一性，纳米孔的测量精度面临着从单分子水平发展至单原子尺度精度的挑战。为此，冯建东、黄飞鹤、Aksimentiev等团队合作提出一种新型大环分子纳米孔，利用化学合成策略“自下而上”构建纳米孔器件，实现了纳米孔的分子水平可控制造和选择性传输功能设计。在传统生物纳米孔和固态纳米孔以外增加了一类新的稳定的分子纳米孔。
由于单个大分子纳米孔难以形成稳定的跨膜纳米孔器件，其离子电流难以准确测量，要证明单个合成纳米孔固有的钾选择性仍然具有挑战性。这项工作中，作者利用柱芳烃为主体，自下而上的设计了一种新型的大环分子（extended pillararene macrocycle，EPM），结合可同磷脂膜作用的侧链稳定策略，首次成功构筑了一种稳定的单通道的大环分子纳米孔（EPM），离子电流测量显示其具有固有的显著的阳离子选择性，钾离子相比钠离子的选择性达到了21倍。
图1. EPM纳米孔选择性传导钾离子的示意图。
EPM纳米孔是一种柱芳烃衍生物，结构示意图如图2a所示。图2b为EPM纳米孔修饰氨基酸侧链的过程。
图3. 离子通过单个EPM纳米孔传输的单通道记录
作者为了证明EPM形成了单个稳定的纳米孔，采用了单通道电流记录来测量离子传输性能。在图3中展示的实验中，观察到了由于单个EPM分子依次插入磷脂膜事件而导致的离子电流的逐步增加。图3b中的单通道电导直方图表明在500 mM KCl中，EPM纳米孔的平均离子电导为99.28 ± 1.95 pS。
图4. EPM纳米孔的钾离子选择性以及分子动力学模拟结果
由于EPM分子中心空腔的苯环富含电子对，因此其可以与阳离子发生相互作用。为了测试EPM与不同阳离子的超分子相互作用的特异性，在一系列盐浓度下测量了钠离子和钾离子通过EPM孔单个通道的转运过程。如图4a-b所示，一系列实验结果表明EPM纳米孔具有显著的钾离子选择性，与钠离子相比，钾离子选择性达到21倍。
为了揭示EPM纳米孔具有钾离子选择性的机理，作者与美国伊利诺伊大学香槟分校的Aleksei Aksimentiev合作，使用分子动力学模拟来计算离子转运途径，结合位点和自由能分布等。模拟结果显示EPM纳米孔的选择性灵敏的取决于构型的变化，其中图4c的PMF曲线表明，与钾离子相比，穿过纳米孔时钠离子明显的会落入更深的能量势阱中，进而需要翻越更高的能量势垒，即钠离子被EPM纳米孔“捕获”得更深，与实验中钾离子选择性的结果一致。
这项工作成功构建了稳定的单跨膜EPM纳米孔，并探索了其选择性离子传输特性。该大环分子纳米孔直接受益于精确设计的分子几何结构和功能，并且该纳米孔单层苯环的厚度使其具有提供超高灵敏度的潜力，未来可能会在单分子分析方面实现新的应用。
图4. JACS封面图
该研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，并被选为封面。该论文通讯作者为浙江大学化学系冯建东研究员和伊利诺伊大学香槟分校的Aleksei Aksimentiev教授，第一作者为冯建东课题组2018级博士生乔丹和Aleksei Aksimentiev课题组的博士后Himanshu Joshi，黄飞鹤教授以及其他作者也做出了重要贡献。该工作得到了浙江省自然科学基金(LR20B050002)，国家自然科学基金(21974123)，国家重点研发计划项目(2020YFA0211200)，中央高校基本科研业务费专项资金(2019XZZX003-01)，浙江大学百人计划和美国国家科学基金会(DMR-1827346)的资助。。