氯離子的主動運輸在生命活動中發揮著重要作用，如調節滲透壓、傳遞訊號和維持膜電位。Halorhodopsin（HR）是一種光控氯離子泵（Chloride pump），在光的作用下能夠實現氯離子的主動運輸。研究發現，席夫鹼基團在HR光控離子泵中起著關鍵作用，既是感光器，又是氯離子的結合位點。
人工光控氯離子泵的關鍵是在離子傳輸通路中引入具有氯離子結合能力的髮色團。卟啉基團具有優異的光敏特性，同時與氯離子之間具有較強的相互作用。北航化學學院高龍成研究團隊設計合成了以卟啉為核的四臂星型嵌段共聚物，由於同時存在嵌段相分離限域作用和卟啉π-π相互作用，含量極少的卟啉形成了高密度的跨膜螺旋通道（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 9472），為光控氯離子泵的設計提供了理想模型。事實上，卟啉通道的確表現出了光控氯離子泵的特性。然而，由於卟啉基團在聚集過程中存在較大內應力，導致卟啉通道存在缺陷，引起離子傳輸通量的損失。為此，該團隊提出了卟啉摻雜修補通道的策略。
具體的，將計量比的卟啉小分子（遊離卟啉）與卟啉嵌段共聚物（鍵合卟啉）進行共組裝。因卟啉之間無差別的π-π作用，遊離卟啉嵌入鍵合卟啉的螺旋聚集通道中，卟啉通道得以修補（如圖1所示）。修補後的，卟啉的 d值略有減小，表現出更優異的光-電化學性質。在沒有電場和濃差等推動力的情況下，僅僅提供紫外光照即可驅動氯離子的定向遷移，實現光能向電能的轉換（功率密度可達 56.0 mW/m 2）。不僅如此，光照還能驅動氯離子從低濃度向高濃度遷移，實現了氯離子泵功能。進一步研究表明，在光照作用下，氯離子能夠克服最高3倍的濃差實現逆濃差傳輸。仿生光控氯離子泵的成功製備，不僅可以加深對生物體系的理解，也為光能的電化學轉換提供思路。
圖1 仿生光控氯離子泵的設計思路
該工作近期線上發表在Nature Communications上。北京航空航天大學李超為第一作者，北京航空航天大學翟毅、深圳灣實驗室姜和明為共同第一作者，北京航空航天大學高龍成為通訊作者。
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45117-1
來源：高分子科學前沿
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