可同時排除質子的仿生人工水通道被開發

　　水通道蛋白 (AQP) 在介導高選擇性超快水傳輸方面的出色能力激發了超分子單價離子排除人工水通道 (AWC) 的最新發展。基于 AWC 的仿生膜被提議用于海水淡化、水凈化和其他分離應用 。雖然最近在合成接近 AQP 的水滲透性和離子選擇性的 AWC 方面取得了一些進展，但 AQP 的標志性特征——高水傳輸同時排除質子——尚未重現。

　　2021年5月20日，海南大學曾華強團隊在Nature Nanotechnology （IF=31.54）在線發表題為“Foldamer-based ultrapermeable and highly selective artificial water channels that exclude protons”的研究論文，該研究報告了一類仿生的、螺旋折疊的成孔聚合物折疊體，可作為高選擇性超快導水通道，其性能超過 AQPs（AQP1 每秒 1.1 × 10^10 水分子），具有內孔表面的模塊化可調疏水性賦予的水對單價離子傳輸選擇性。此處報道的性能最佳的 AWC 以異常高的速率傳輸水，即 AQP1 的 2.5 倍，同時排斥鹽（NaCl 和 KCl）甚至質子。

　　從大自然中汲取靈感，仿生學為一系列復雜問題提供了豐富而有效的技術解決方案。仿生學中一個具有挑戰性的研究方向是人造材料在多大程度上可以模仿自然，甚至超越宏觀和納米尺度上在自然界中看到的界限。在分子水平上，生物通道通過精確控制的同源物種（包括水、鉀 、鈉、鈣、氯化物和質子）的定向流動在無數細胞過程中發揮不可或缺的作用。這些精確控制的流動通過狹窄的——通常是充滿水的——跨膜孔發生。

　　然而，在許多天然膜通道中共同看到的兩個高度集成的典型特征——與高滲透率無縫集成的高選擇性——極難在人工開發的膜材料中復制，尤其是人工通道和載體。事實上，盡管在過去的四個十年中取得了許多進步, 但沒有任何人工通道或膜能夠達到生物通道如鉀通道 (KcsA) 和水通道蛋白 (AQP) 中離子、質子或水分子的跨膜轉運性能。AQP 在運輸水的同時排除質子的獨特能力將水運輸與跨膜質子梯度的維持分離，這在以前在人工通道或工程生物通道中沒有重現。通過極簡的仿生方法，該研究成功地在水傳輸速率方面優于 AQP1，同時保持對鹽（NaCl 和 KCl）和質子的高排斥率。

　　AQP1 出色的水和離子傳輸性能（每秒約 1.1 × 10^10 水分子，同時排除所有離子），激發了基于 AQP 的仿生膜的開發工業和市政脫鹽和水凈化應用。然而，基于蛋白質的膜預計具有高生產成本，并且在工業用途的擴大和穩定性方面面臨著明顯的挑戰。這些挑戰可能會限制它們在用于水凈化的新型膜技術和其他應用（包括能源生產、有機溶劑納濾和有機溶劑反滲透）中的廣泛應用。模仿 AQP 的功能以實現更廣泛的分子分離應用，仿生超分子人工水通道 (AWC) 已成為有前途的材料 。

　　然而，同時實現高單通道透水性和高傳輸選擇性已被證明具有挑戰性。事實上，在迄今為止報道的所有具有高選擇性的 AWC 中，最近才報道了排斥鹽分的自組裝 AWC，它們以每秒 3.0 ×10^9 個水分子 的速率輸送，大約是 AQP1 的 27%。內孔直徑為 4.7 ? 的碳納米管孔蛋白 (CNTP) 的水傳導率是 AQP1 的 2.1 倍。然而，CNTP 也傳導 Na+、K+ 和其他質子。

　　該研究報告了一類仿生的、螺旋折疊的成孔聚合物折疊體，可作為高選擇性超快導水通道，其性能超過 AQPs（AQP1 每秒 1.1 × 10^10 水分子），具有內孔表面的模塊化可調疏水性賦予的水對單價離子傳輸選擇性。此處報道的性能最佳的 AWC 以異常高的速率傳輸水，即 AQP1 的 2.5 倍，同時排斥鹽（NaCl 和 KCl）甚至質子。