受天然离子通道蛋白的结构和功能的启发，发展新型人工离子通道一直是非常具有吸引力的研究课题。天然离子通道所展现出的多电导态行为(或称亚电导态行为)是细胞生理活动的重要组成，其产生和调控机制尚不清晰。利用人工通道研究亚电导态的产生和调控机制对于深化理解离子通道的传输构效关系至关重要，并且对于亚电导行为的调控具有重要的生理学意义。

在科技部、中国科学院和国家自然科学基金委的支持下，化学研究所分子识别与功能院重点实验室的王德先/王其强团队在设计构建人工氯离子通道方面取得了系列进展（J. Am. Chem. Soc. 2020,142,13273-13277;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62,e202302198;Chem. Commun. 2023, 59,14689-14692;Chem. Eur. J.2024,30,e202304222 (concept review)），为进一步探究人工氯离子通道的复杂功能奠定了基础。

近期，该团队报道了一例基于氧杂杯[2]芳烃[2]三嗪骨架的漏斗状人工单分子通道，实现了氯离子传输诱导的多种电导状态的自发转换和离子传输的整流特性。研究团队模仿天然囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR) 的氯离子传输选择性孔道结构，以含缺电性“V”形空腔的氧杂杯芳烃大环作为调控阴离子选择性的中心单元，在苯环上沿引入与磷脂膜厚度相匹配的缺电性的酰亚胺片段，在三嗪环上沿引入L-苯丙氨酸的锚定单元，构成不对称漏斗状通道结构。平面脂双层电生理技术表明，通道分子存在两个稳定的可互相转换的电导态(L1和L2)， 其中L1总是优先出现且频率较高，归结为主电导态；L2的出现依赖L1且频率较低，归为亚电导态。此外，通道分子具有类二极管的离子整流现象，且两个电导态均不遵循欧姆定律，表现出电压依赖的门控特性。鉴于两个电导态具有几乎相同的门控电荷参数，以及pH = 4.0条件下具有一致的氯离子选择性(渗透比L1: P_Cl⁻/P_K⁺ = 7.04,L2: P_Cl⁻/P_K⁺ = 2.01)，表明主电导态和亚电导态应来源于同一分子通道的不同构象。他们进一步揭示了氯离子传输的方向性及其诱导的不同电导态的自发转换行为。这项工作表明，合理设计的人工单分子通道除了作为离子传导通路外，还能够模拟天然离子通道的复杂功能特性。相关研究工作近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.2024,63,e202411702，第一作者为博士生林嘉芬，通讯作者为王德先研究员和王其强研究员。

人工单分子漏斗中多种电导状态的自发转换和整流行为

分子识别与功能院重点实验室

2024年10月23日