基于水通道蛋白设计的人工水通道研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230025

摘要/Abstract

摘要：

水通道蛋白（AQPs）对水分子具有高选择性和渗透性，是介导水分子转运的膜蛋白。人工水通道一般由各种有机或无机材料（如碳材料、有机化合物以及多肽等）组装而成，旨在模仿天然水通道蛋白的结构和功能。本文介绍了天然、生物启发及合成水通道的种类、结构及其渗透机理，并比较了单分子、超分子及碳纳米材料等人工水通道在近20年间的研究进展。详细地阐述了不同的人工水通道材料特性对结构和功能的影响，并重点剖析了人工水通道的不足以及开发新型人工水通道面临的挑战，最后展望了人工水通道的未来前景。

关键词: 水通道蛋白, 功能材料, 人工水通道, 结构功能, 高效传输

Abstract:

Aquaporins （AQPs） are membrane proteins that mediate the transport of water molecules with high selectivity and permeability to water molecules. Artificial water channels are generally assembled from various organic or inorganic materials （such as carbon materials， organic compounds， and peptides） and designed to mimic the structure and function of natural aquaporins. This paper describes the types， structures and their permeation mechanisms of natural， bio-inspired and synthetic water channels， and reviews and compares the research progress of artificial water channels such as single molecules， supramolecules and carbon nanomaterials over the last two decades. This paper elaborates on the influence of different artificial water channel material properties on the structure and function， and focuses on the shortcomings of artificial water channels and the challenges of developing new artificial water channels， and finally looks into the future prospects of artificial water channels.

Key words: Aquaporin, Functional materials, Artificial water channel, Structure-function, Efficient transport

中图分类号:

O629.7

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图/表 8

图1 （a）细胞膜中各种成分示意图，主要由脂质和跨膜蛋白通道组成［7］；（b）水通过嵌入脂质体的水通道传输示意图［8］；（c）水通道蛋白1（AQP1）的侧视图—沙漏形状［9］；（d） AQP1四聚体［9］；（e） AQP1中水运输模式（AQP1通道内壁氨基酸分布）［2］

Fig.1 （a） Schematic diagram of various components in the cell membrane， mainly consisting of lipids and transmembrane protein channels［7］；（b） Schematic diagram of water transport through water channels embedded in liposomes［8］；（c） Side view of Aquaporin-1 （AQP1）（hourglass shape）［9］；（d） AQP1 tetramer［9］；（e） Water transport pattern in AQP1 （amino acid distribution in the inner wall of AQP1 channel）［2］

图2 （a）短杆菌肽A折叠形成β-螺旋状［9］；（b）水分子在gA单体、过渡状态和gA二聚体形成后3种情况下的取向示意图［9，13］

Fig.2 （a） β-Helix formed by folding of gramicidin A （gA）［9］；（b） Schematic representation of the orientation of water molecules in the three cases of gA monomer， transition state and after gA dimer formation［9，13］

表1 不同类型人工水通道与天然AQPs的特性对比

Table 1 Comparison of the characteristics of different types of artificial water channels and natural AQPs

Name	Type	Hydrophilicity	Diameter/?	Modified or not	Polar or charged group	Permeability （H₂O/s/channel）	Selectivity	Distortion	Large area integration	Ref.
4-LA	Single-molecule	Hydrophobic	3~6.5	Yes	Yes	2.7×10¹⁰	Only Water	No	No	［5］
Aquafoldmer-1	Single-molecule	Hydrophilic	2.8	No	No	3×10⁹	Only Water	No	No	［8］
PAH［4］	Single-molecule	Hydrophobic	3~5	No	No	3.7×10⁹	Water and Proton	No	No	［18］
PAPs	Self-assembly	Unreported	5	No	No	3.5×10⁸	Water and Proton	No	No	［24］
AQP1	Protein	Mixed	2.8	No	Yes	3×10⁹~4×10⁹	Only Water	Yes	No	［27］
gA	Protein	Mixed	40	No	Yes	5.3×10⁸	Water and Ions	Yes	No	［28］
Zwitterionic	Self-assembly	Hydrophilic	2.6	No	No	Unreported	Water	No	No	［29］
Porous-DD	Self-assembly	Hydrophobic	14.5	No	No	Unreported	Water and Proton	No	No	［30］
I-Quartet	Self-assembly	Hydrophilic	2.6	No	No	Unreported	Water and Proton	No	No	［31］
PAH4s	Single-molecule	Unreported	Unreported	No	No	Unreported	Water	No	No	［32］
PAH5s	Single-molecule	Unreported	Unreported	No	No	Unreported	Water	No	No	［33］
S-HC8	Single-molecule	Hydrophilic	2.6	No	No	1×10⁶	Water and Proton	No	No	［34］
wCNTs	Single-molecule	Hydrophobic	15	Yes	Yes	1.9×10⁹	Water and Proton	No	Yes	［35］
nCNTs	Single-molecule	Hydrophobic	0.8	Yes	Yes	2.3×10¹⁰	Water and Proton	No	Yes	［35］
POCs	Single-molecule	Hydrophilic	4~10.7	No	No	2.85×10⁹	Water and Proton	No	No	［36］
F-foldamer	Self-assembly	Hydrophobic	5.2	No	No	1.4×10¹⁰	Only Water	No	No	［37］

图3 （a）肽附加柱［4］芳烃水通道的分子模型［18］；（b）通过“粘性末端”方法构建的Aquafoldamer水通道［8，19］；（c）水分子在Aqf水通道中单线运输［20］；（d）孔壁内甲基和乙基的向内突出使得水通道的局部横截面减少［5］；（e）孔内基团突出导致质子水线断裂的示意图［5］

Fig.3 （a） Molecular model of PAH［4］ water channel［18］；（b） Aquafoldamer water channel constructed by the “sticky end” method［8，19］；（c） Single-line transport of water molecules in the Aqf water channel［20］；（d） Local cross-sectional reduction of the water channel due to the inward protrusion of methyl and ethyl groups in the pore wall［5］；（e） Schematic representation of the proton water line breakage due to the protrusion of groups in the pore［5］

图4 （a）水被包裹在两性离子聚合物通道中的示意图［29］；（b）水和质子在多孔树枝状二肽通道（孔径估计为1.45 nm）中的选择性传输［30］；（c）自组装I-quartet水通道的四元管状结构的侧视图［34］；（d） I-quartet水通道的俯视图［39］

Fig.4 （a） Schematic representation of water encapsulated in an amphiphilic polymer channel［29］；（b） Selective transport of water and protons in a porous dendritic dipeptide channel （pore size estimated to be 1.45 nm）［30］；（c） Side view of a self-assembled I-quartet water channel with a quaternary tubular structure［34］；（d） Top view of an I-quartet water channel［39］

图5 （a）低温透射电子显微镜（TEM）图像显示出插入脂质体中的CNTP［43］；（b）分子动力学模拟描述水分子在狭窄的CNTPs内以单一水线进行传输［35］；（c）聚集成束的CPNs的TEM图像［44］；（d） α，γ-环肽的一般化学结构（左图）和夹在脂质双分子层中的CPN（右图）［45］；（e）肽纳米管通道的形成示意图，纳米管通道通过不同直径的CPN单元堆叠而成［45］

Fig.5 （a） Cryogenic transmission electron microscopy （TEM） images showing CNTP inserted in liposomes［43］；（b） Molecular dynamics simulations describe the transport of water molecules in a single water line within narrow CNTPs ［35］；（c） TEM images of CPNs aggregated into bundles［44］；（d） General chemical structure of α，γ?-cyclic peptides （left panel） and CPN sandwiched in lipid bilayers （right panel）［45］；（e） Schematic representation of the formation of peptide nanotube channels with nanotube channels through stacks of CPN units of different diameters［45］

图6 石墨烯作为水通道的2种类型：（a）基底面有纳米孔的单层石墨烯［55］；（b）层间间隔的石墨烯纳米片与二维纳米管［55］；（c）利用明确的层间间距作为二维水通道GO纳米片层［56］；（d）调整层间间距和拓宽通道的不同策略［57］；（e）利用ZIF-8纳米晶体的渗水孔作为水通道的新途径来促进水在GO层中的传输［58］

Fig.6 Two types of graphene as water channels：（a） Monolayer graphene with nanopores on the basal plane［55］，（b） Interlayer-spaced graphene nanosheets with 2D nanotubes［55］；（c） GO nanosheet layers using well-defined interlayer spacing as 2D water channels［56］；（d） Different strategies for adjusting interlayer spacing and widening the channels［57］；（e） New ways to facilitate water transport in GO layers using percolation holes of ZIF-8 nanocrystals as water channels［58］

图7 POCs结构显示可调整孔径大小［36］

Fig.7 Structure of POCs showing adjustable aperture sizes［36］

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