NSR | 一种具有高选择性的人工钾离子通道

知社学术圈 · 公众号 · · 2024-08-27 14:01

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从自然界中汲取灵感是发展新技术的一种有效途径。在生物体内，离子通道作为细胞膜上的“高速公路”，可以让特定的离子（如钠、钾、钙等）进出细胞，控制细胞内外的电荷和物质平衡，在心跳、神经信号传导和肌肉收缩等生理过程中扮演着至关重要的角色。历经数百万年的进化，这些生物离子通道不仅拥有非常高的离子选择性，同时还保持了卓越的导通性能。例如，生物钾离子通道KcsA可以实现K ⁺ /Na ⁺ 的高效选择性传输，选择比高达1千比1。生物钾通道实现选择性的核心是其特殊的选择性过滤器结构，其中包含大量规则排列的羰基氧原子，这些羰基氧共同构成一系列精巧的结合位点供K ⁺ 配位，从而产生超高K ⁺ 选择性。一直以来，人们希望能够通过人工纳米通道再现这些生物通道的卓越性能，推动其在过滤分离、纳米孔传感等领域的应用。然而，尽管仿生钾离子通道的设计已经取得了令人瞩目的进展，目前仍与生物钾通道的选择性存在较大差距。

受生物钾离子通道KcsA过滤器结构启发， 南京航空航天大学郭万林院士/仇虎教授团队提出了一种新颖的人工钾通道结构设计方案 。具体而言，通过规则排列的羰基原子修饰单壁碳纳米管内壁，并完全重现KcsA选择性过滤器中羰基的位置分布。与生物钾通道相比，两者具有相同数量的结合位点和几乎相同的直径。团队的大量分子动力学模拟表明，该仿生钾通道实现了钾离子的快速传输以及单价离子的高效筛分。该工作以“ A highly-selective biomimetic potassium channel ”为题，发表于《国家科学评论》（ National Science Review , NSR）。

在KcsA晶体结构中，其选择过滤器中拥有四个羰基笼状结构，每层羰基环之间的轴向距离为~2.9 Å。为了重现这一结构，研究团队选取了10%应变下的（7，7）碳纳米管，并用规则排列的羰基对其进行修饰，因此所得仿生通道具有与KcsA选择性过滤完全相同的离子位点数目以及通道尺寸（图1）。

图1. 生物以及仿生纳米通道结构

随后，团队研究了不同电场强度下仿生钾通道的离子选择性传输性能（图2）。结果表明，K ⁺ 的导通率总是高于Na ⁺ 的导通率，表明仿生钾通道可以选择性地传输K ⁺ 。值得注意的是，在0.2和0.25 V/nm的低电场下，K ⁺ 的导通速率约为1.2~3.7×10 ⁷ ions/s，这与生物钾通道中的离子导通速率（~10 ⁸ ions/s）接近;在微秒级的模拟中，只有一个Na ⁺ 通过仿生纳米通道，表明该仿生钾通道结构具有出色的K ⁺ 选择性。

图2. 不同电场下通过仿生纳米通道的累积K ⁺ /Na ⁺ 离子通量

通过追踪离子通过仿生纳米通道的动力学过程（图3），研究团队发现K ⁺ 和Na ⁺ 有着不同的过孔机制。K ⁺ 通过逐级占据结合位点来跨越纳米通道。相反，Na ⁺ 不同于K ⁺ 的逐级跳动，Na ⁺ 首先进入S3位点，然后在新靠近的K ⁺ 的敲击作用下迅速离开孔道。此外，K ⁺ 通过孔道也存在两种不同的导通模式。模式1中，钾离子之间间隔两个水分子进行传输，占总事件的~76%；在模式2中，靠近通道入口处的钾离子与最近的水分子发生交换，钾离子之间间隔一个水分子进行传输。

图3. K ⁺ 和Na ⁺ 通过仿生钾通道的动力学过程

在此基础上，团队进一步分析了离子在仿生通道中的配位状态（图4）以及空间分布情况（图5）。结果表明，K ⁺ 离子和水分子更倾向于占据纳米孔道轴附近，而Na ⁺ 则更贴近管壁。因此，当K ⁺ 通过通道时，能够形成包含~6个羰基氧的笼状配位结构。而Na ⁺ 偏离孔道中心，由~4个羰基氧配位。

图4. 离子在孔道中的配位状态

图5. 离子和水分子的空间分布

团队进一步构建了拥有不同离子绑定位点数的仿生通道模型，以研究离子结合位点数量与选择性之间的关系（图6）。结果表明，当离子结合位点数量减少时，K ⁺ 和Na ⁺ 的导通速率均显着增加，同时K ⁺ 选择性降低。自由能分析表明选择性的产生主要归因于K ⁺ 和Na ⁺ 进入孔道入口或第一个结合位点的能垒差异。