阴离子泵是能够逆浓度梯度跨膜运输离子的生物机器，在维持生物体功能方面起着至关重要的作用。例如，Na-K-Cl共转运体广泛分布于人体的各种组织和细胞类型中，在调节电解质平衡、血压、细胞体积、肾小管重吸收和早期神经发育等方面具有重要功能。人工模仿和构建这些生物转运体，一直以来都是分子机器领域研究的重要分支。不同于离子通道，离子泵的生物结构更为复杂，同时其运作需要消耗ATP，从而实现离子的主动运输。基于酰胺、方酰胺、脲、硫脲、三氮唑、杯吡咯，以及卤素和硫族键等的人工阴离子受体在过去几十年里得到了长足的发展，并在此基础上实现了不同阴离子的被动跨膜运输，即离子通道的功能。然而，如何设计人工离子泵并实现离子的主动运输（尤其是在宏观尺度下），目前仍然是分子机器领域内的一大挑战。
图1. 被动转运和主动转运的比较。
然而，构建阴离子泵仅有阴离子受体是不够的，还需要赋予这些受体可主动调控的阴离子结合能力，才能在消耗能量的同时逆浓度梯度运输阴离子，实现离子泵的功能并完成离子的主动运输。一种可行的策略是将光控分子开关（如偶氮苯和苯乙烯）与阴离子受体结合，通过光致顺反异构动态调节受体对阴离子的结合能力，从而可控地实现阴离子的结合和释放。然而，这一分子设计目前仅限于光控的离子被动运输，即仅允许阴离子沿浓度梯度扩散。
2024年8月1日，美国达特茅斯学院Ivan Aprahamian教授课题组以“A molecular anion pump”为题发表在 Science上。第一作者为邵柏豪博士、博士生富贺一飞，Ivan Aprahamian教授为通讯作者。
课题组 - Ivan Aprahamian教授（中），博士生富贺一飞（左1）和邵柏豪博士（右2）。
Ivan Aprahamian教授课题组一直致力于发展基于腙结构的分子开关（hydrazone switches）。这类分子开关具有优秀的光致异构性能和极长的热力学半衰期。其结构的独特之处在于一个基于分子内氢键的六元环结构，该氢键结构伴随着光致顺反异构可以进入“开启”或“关闭”状态，进而“暴露”或“屏蔽”高度极化的腙N-H键（图2A）。受此启发，Aprahamian课题组邵柏豪博士和博士生富贺一飞设计并发展了一个三聚体形式的腙开关，他们利用这个分子实现了6个数量级的光控阴离子结合和释放效率（目前为止最高的效率），并在此基础上通过U型管完成了在厘米尺度上的阴离子逆梯度转运。
图2. 腙离子受体的设计理念和腙三聚体的合成方法。
首先通过四步有机合成高效地制备了腙三聚体（图2B），并系统地表征了其光异构化性质（图3）。该腙开关的正向和反向光异构化效率均达到了93%以上，光异构量子产率达到了4.8%，同时具有超长的热力学半衰期。随后，表征了腙开关的顺式（Z）和反式（E）对于不同阴离子的结合能力（图3C）。对于处于“开启”状态的反式（E）而言，腙开关对半径较小的卤素离子表现出较高的结合能力（结合常数高达106），趋势为半径越小，结合能力越强；而对半径较大的BF4-和PF6-离子的结合能力则大大减弱。相反，顺式（Z）即N-H键“屏蔽”的“关闭”状态下，腙开关对离子的结合能力大大降低（结合常数低至个位数）。就光控阴离子结合和释放效率而言，该腙开关凭借其高达6个数量级的效率，是目前为止领域内最优的体系。
图3. 腙开关的顺反异构化表征和不同构型结合氯离子的表征。
在对阴离子结合模式的表征过程中，首先在Job’s plot实验中（图3D）发现腙开关的反式（E）构型结合卤素离子的键合化学计量比为2:1，即2个腙分子结合1个卤素离子，而其结合大半径的BF4-和PF6-离子的键合化学计量比则为1:1。DOSY核磁实验同样证明了2:1（对于卤素）和1:1（对于BF4-和PF6-）的键合化学计量比。同时，浓度依赖的DOSY核磁实验进一步揭示了2:1的结合模式主要发生在离子浓度较低的状态；伴随着离子浓度的增加，1:1的结合模式则会主导。2:1和1:1的腙开关与氯离子的键合结构在高分辨质谱上也得到了进一步的证明。尝试了多种结晶条件，但未能成功获得键合结构的单晶结构。
图4. U型管泵送体系的工作原理和泵送效率。
受这些结果的鼓舞，作者利用U型管构建了一个三相（水/二氯甲烷/水）的溶液体系（图4），并通过腙开关在二氯甲烷液体膜中的扩散运输和光异构化实现的氯离子捕获和释放，完成了逆浓度梯度运输氯化钾（KCl），且12小时的泵送效率高达8.8%（图4C），相当于建立了4.2 mV的电势。在该泵送体系中，18-冠-6-醚作为相转移试剂，通过结合钾离子帮助氯化钾（KCl）溶解到二氯甲烷中。如图4A所示，泵的工作原理大致分为以下几个步骤：（I）冠醚结合的氯化钾（KCl）扩散进入二氯甲烷相（IN）；（II）反式（E）结合氯离子；（III）腙开关/氯离子复合物扩散至液体膜另一侧（OUT）；（IV）365 nm光照引发E-to-Z的异构；（V）冠醚结合的氯化钾（KCl）被释放；（VI）冠醚结合的氯化钾（KCl）扩散进入水相（OUT）；（VII）顺式（Z）扩散回液体膜另一侧（IN）；（VIII）442 nm光照引发Z-to-E的异构。步骤I-VIII的循环最终在宏观尺度下（3.5 cm运输距离）实现了氯化钾（KCl）通过二氯甲烷液体膜从IN相到OUT相的主动运输。就氯离子的尺寸而言，这一运输过程相当于将足球踢过了6.5万个足球场的长度。
综上，开发了一种基于腙的光控阴离子受体，并将其应用于宏观尺度下的逆浓度梯度阴离子运输。该开关的反式（E）构型对卤化物离子表现出优异的结合亲和力，而对较大阴离子（如BF4-和PF6-）的结合亲和力则较弱。尽管结构中存在三个缺电子的三唑环，切换到分子内氢键的顺式（Z）构象仍显著降低了受体的结合能力，最终使光控结合和释放的效率达到了6个数量级。腙结构既作为阴离子结合体，又作为光调节器，提供了双重功能，为未来光控离子受体的发展提供了一种更为简单的策略。此外，基于U型管的泵送实验也为开发宏观尺度下的分子机器提供了新思路。
