《Science》之后！再发《Nature》：高分子材料潜力无限！仿跨膜蛋白，高速选择性转运质子

蛋白质通过精确地序列排布和折叠，充分地实现了自身结构和化学的多样性，形成了极其精巧地质子通道。为了构建媲美自然质子运输系统，科学家尝试了多肽、DNA、碳纳米管、序列定义聚合物和有机框架等，然而用这些材料构建的质子运输系统都无法达到自然质子运输系统所展现出质子运输能力。

近日，美国加利福尼亚大学伯克利分校材料科学与工程系徐婷教授团队报道了一种四单体无规杂聚物(RHPs)，该聚合物能够在不形成原子结构通道的情况下，模拟膜蛋白并以与天然质子通道相似的速率在脂质双分子层上选择性转运质子。该研究成果以题为“Single-chain heteropolymers transport protons selectively and rapidly”的论文发表在《Nature》正刊上。文章第一作者为Jiang Tao，通讯作者为徐婷教授。

四单体无规杂聚物高速选择性运输质子系统的设计

研究者选择了四种甲基丙烯酸酯类单体，甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸异辛酯 (2-EHMA)、甲基丙烯酸低聚（乙二醇）酯[OEGMA；(Mn)≈500Da]和甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐 (3-SPMA)合成四单体无规杂聚物(RHPs)。其中MMA和EHMA促进RHPs插入脂质双层膜，OEGMA能够调节整体亲水性，促进氢键链的形成，在脂质双分子层中进行质子运输，最后，SPMA被用来降低RHPs的聚集倾向。

图1a显示了RHP的20个代表性序列(称为“RHP1”)，其组成比例为MMA:OEGMA:EHMA:SPMA = 5:2.5:2:0.5。研究者测定RHP1链的亲水亲油平衡值(HLB，HLB 低于9是相对亲油的，高于9是相对亲水生的) (图1a)。根据HLB值，RHP链可分为三类: 亲水、亲脂质双分子层和亲界面(图1c)。作者进行了分子动力学模拟来观察RHP1在脂质双分子层中的分布(图1e)，结果显示大多数亲水侧链被发现在水里或靠近膜表面，而疏水段分布在双分子层内，将一些OEG侧链锚定在双分子层的非极性区域。

图1所示：RHP的片段异质性设计。

四单体无规杂聚物(RHPs)高速地，高选择性地跨膜转运质子

作者使用生物质子装置(图2a)检测四单体无规杂聚物(RHPs)跨膜转运质子能力。Pd的电压为-200mV(相对于Ag/AgCl)，当质子通过RHPs跨脂质双分子层运输后，它在Pd表面被还原成H，进而吸附到Pd表面形成PdHx。当Pd上的电压由- 200mV变为+ 40mV时，正电压将H氧化成H+，产生正的质子电流。结果显示RHP1使膜透性从8.1×10