湖南大学何清团队Chem：全酰胺超蕃实现仿生次级主动离子运输

在生物化学体系中，离子的跨膜定向迁移是细胞维持稳态及生命非平衡状态的核心。其中，主动运输（Active Transport）通过驱动离子逆浓度梯度迁移，在神经信号传导、渗透压调节及代谢转化中发挥着决定性作用。相比于直接消耗代谢能（如ATP）的初级主动运输，次级主动运输（Secondary Active Transport）巧妙地利用既有的化学梯度作为驱动力，实现目标物种的选择性逆浓度富集。然而，在人工超分子体系中，如何摆脱对光、电及化学燃料等外部能量输入的依赖，仅依靠分子载体自身的结构设计感知并利用环境势差，实现离子的次级主动转运始终是超分子与仿生工程领域最具挑战性的核心科学问题。

近日，湖南大学何清教授与美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授团队在国际顶尖化学期刊《Chem》上发表了题为“Secondary active ion transport against concentration gradients”的最新研究成果。该研究报道了一种能够在既有的化学梯度驱动下实现逆浓度梯度离子迁移的人工分子体系，为人工次级主动运输的构建提供了新的思路。

图1.生物与人工离子传输示意图。(A)由外部能量输入驱动的生物初级主动运输； (B)由既有的化学梯度的生物次级主动运输； (C)由外部能量输入驱动的人工初级主动运输； (D)由浓度梯度驱动的生物被动运输； (E)由浓度梯度驱动的人工被动运输； (F)由电化学梯度驱动的人工次级主动运输（本文工作）。

一、 全酰胺超蕃载体的设计与合成

研究团队通过亚胺缩合与Pinnick氧化反应，构建了一种高度对称的全酰胺超蕃分子笼POP-SP。该超蕃具有高度预组织的三维空腔，其内部排列有12个指向笼腔中心的酰胺氢键位点，可为阴离子提供多点协同结合环境。主客体实验表明，POP-SP对NO3⁻（Ka= 1987 ± 311 M⁻¹）表现出显著优于Cl⁻、F⁻及HCO3⁻等竞争阴离子的结合能力。单晶X射线衍射进一步证实，NO3⁻被稳定包结于超蕃空腔内部，并通过多重氢键形成高度匹配的限域结构。

图2.全酰胺超蕃分子笼POP-SP的合成策略及NO₃⁻@POP-SP复合物结构鉴定。(A) POP-SP的两种合成策略； (B) POP-SP在无（下）和加入20当量（上）NO₃⁻（以四丁基铵盐TBA⁺形式加入）条件下，于DMSO-d₆/D₂O（9:1，v/v）中的部分¹H NMR谱图； (C) NO₃⁻·H₂O@POP-SP复合物单晶结构的正视图； (D) NO₃⁻·H₂O@POP-SP复合物单晶结构的俯视图。

二、 实现逆浓度梯度NO₃⁻跨膜迁移

研究团队进一步利用U型管液膜体系研究POP-SP的跨膜运输行为。实验结果显示，即使在多种竞争阴离子共存条件下，POP-SP仍能够选择性介导NO₃⁻跨膜迁移，而Cl⁻、F⁻及HCO₃⁻等离子的运输几乎可以忽略，展现出优异的识别精度与传输选择性。更重要的是，在源相（IN相）与接收相（OUT相）NO₃⁻初始浓度相同的条件下，当IN相引入高浓度竞争盐（如NaCl或Na₂SO₄）后，研究者观察到NO₃⁻持续向OUT相富集。这一现象表明，该体系已经突破传统被动扩散模式，实现了真正意义上的逆浓度梯度离子迁移。进一步研究发现，不同水合能的竟争盐会显著影响NO₃⁻的传输效率，说明体系的驱动力来源于竟争盐所建立的跨膜电化学势差。

图3.硝酸根离子传输研究。(A) U形管液膜传输装置示意图；(B) OUT相（初始为去离子水）中NO₃⁻浓度随时间变化曲线：分别比较仅含100 ppm NaNO₃（红色）以及含100 ppm NaNO₃并同时含有竞争阴离子F⁻、Cl⁻和HCO₃⁻（质量比1:1:1）的体系，其中竞争盐总浓度分别为100 ppm（青色）和1,000 ppm（黑色）；(C)当IN相（初始含1,000 ppm NaNO₃）中加入饱和钠盐（NaF、NaBr、NaHCO₃、NaCl、Na₂SO₄和Na₂HPO₄）时，OUT相（初始1,000 ppm NaNO₃）中NO₃⁻浓度的增加；(D)当IN相中加入1.0 M钠盐（NaF、NaBr、NaHCO₃、NaCl、Na₂SO₄和Na₂HPO₄），且各体系初始均含1,000 ppm NaNO₃时，OUT相（初始1,000 ppm NaNO₃）中NO₃⁻浓度的增加；(E)当IN相中加入不同阳离子的1.0 M氯化物盐（Na⁺、TEA⁺、Mg²⁺和La³⁺），且各体系初始均含1,000 ppm NaNO₃时，OUT相（初始1,000 ppm NaNO₃）中NO₃⁻浓度的增加。所有实验中，POP-SP（1,627 ppm；1.0 mM）均溶解于CHCl₃膜相中，OUT相中的NO₃⁻浓度通过离子色谱（IC）测定。误差棒表示标准偏差（SD，n = 3）。

三、 电化学势差驱动的人工次级主动运输机制

结合分子动力学模拟与15N NMR波谱分析，作者提出了POP-SP介导主动运输的可能机制。

1. 高盐环境促进NO₃⁻脱溶剂化

在高盐IN相（如Na₂SO₄或NaCl体系）中，目标阴离子NO₃⁻的跨膜转移首先受到溶剂化环境的显著调控。高水合能力的背景离子可能通过改变水结构与离子–水相互作用，削弱NO₃⁻的局域水合稳定性，从而降低其进入有机相所需的脱溶剂化能垒。在此基础上，POP-SP凭借其预组织空腔与多点氢键位点，对部分脱水的NO₃⁻产生选择性识别作用，形成主客体复合物 [NO₃ ⊂ POP-SP]⁻，实现界面捕获。

2. 主客体复合物跨膜扩散

形成的复合物在有机相中通过浓度梯度驱动发生扩散迁移。为维持整体电荷平衡，Na⁺以对离子的形式参与迁移过程，形成动态离子对环境，从而促进复合物在疏水相中的稳定传输。与此同时，POP-SP的笼状结构在空间上屏蔽溶剂与杂质干扰，提高了运输过程的选择性与方向性。

3.再水合驱动的释放过程

当复合物到达低离子强度的OUT相时，局部溶剂化环境发生显著变化。在自由水分子较多的环境中，NO₃⁻与水的相互作用增强，导致其与载体之间结合自由能的重新分配，从而促进客体释放并进入水相。释放后的POP-SP恢复空载状态。

4. 载体再生与循环（载体回收）：

脱载后的空载体（POP-SP）在浓度梯度驱动下，经有机膜扩散回IN相界面，开启下一轮捕获循环，从而实现持续的逆浓度梯度转运。

图4. POP-SP介导NaNO₃通过CHCl₃膜在U形管体系中进行主动传输的示意图。

四、 结论与学术意义

该工作通过理性超分子构效关系设计，发展了一类基于全酰胺超蕃分子笼的新型阴离子载体，实现了无需光、电或化学燃料驱动的人工次级主动离子运输。与传统依赖外部刺激的人工主动运输体系不同，该体系仅依赖既有的化学梯度即可实现NO₃⁻的逆浓度梯度迁移，展现出与生物膜泵相似的功能特征。这一研究不仅为人工主动运输体系的构建提供了新的分子模型，也为复杂盐环境中的离子分离、资源回收以及仿生分子机器设计提供了新的研究思路。

文献详情

Title：Secondary active ion transport against concentration gradients

Authors:Wei Zhou, Meiyue Zhang , Xiao Cai, Aimin Li, Ke Luo, Zhiqing Long, Qiang Liu,Jonathan L. Sessler*,and Qing He*

To be cited as: Chem, 2026, 12,103069.

DOI: 10.1016/j.chempr.2026.103069

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103069

通讯作者介绍

何清，湖南大学教授、博士生导师、国家海外高层次青年人才。2010年7月于湖南师范大学制药工程系获学士学位；2015年7月于中国科学院化学研究所获得理学博士学位；2015年7月–2019年3月在（美国）德克萨斯大学奥斯汀分校化学系从事博士后研究（合作导师为Jonathan L. Sessler教授）；2019年入选国家海外高层次人才青年项目回国工作，任湖南大学化学系教授。主持/承担国家自然科学基金面上项目、青年项目及国家重点研发计划子课题等多项课题。主要研究方向为超分子化学和新型功能材料，包括分子笼化学（超蕃化学与塔笼化学）、新型非共价相互作用力、先进超分子材料（非多孔非晶态超吸附材料、超分子离子传导膜）和超分子分离技术。在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc.Rev.、Acc. Chem. Res.、Coordin. Chem. Rev.、CCS Chem.等国际著名期刊上发表学术论文60余篇，申请/授权专利8项。荣获2025年度“Thieme Chemistry Journals Award”、“2025 The Sessler Early Career Researcher Prize”等奖项。目前担任《四面体》（Tetrahedron）和《四面体快报》（Tetrahedron Letters）青年编委、《Tetrahedron Chem》客座编辑。

乔纳森·塞斯乐（Jonathan L. Sessler），1956年5月20日出生于美国伊利诺伊州，美国超分子化学家 ，中国科学院外籍院士，美国国家科学院院士，欧洲科学院院士，美国艺术与科学院院士，美国发明家科学院院士，德克萨斯大学奥斯汀分校化学教授。

乔纳森·塞斯乐于1977年获加利福尼亚大学伯克利分校化学学士学位；1982年获斯坦福大学有机化学博士学位；1982年—1984年在斯特拉斯堡大学和京都大学从事博士后研究工作；1984年9月任德克萨斯大学奥斯汀分校化学助理教授；1989年9月晋升为副教授；1992年9月晋升为教授；2015年9月任上海大学特聘教授；2015年当选为美国发明家科学院院士；2019年当选为欧洲科学院院士；2021年当选为美国国家科学院院士；2022年当选为美国艺术与科学院院士；2023年11月当选为中国科学院外籍院士。

乔纳森·塞斯乐主要研究领域为生物无机化学、生物有机化学、化学生物学药物发现与诊断、环境化学等。他创建了扩展卟啉主体体系，在化学、环境和医学等多学科交叉领域取得了突破性成果；开启了人工合成吡咯大环的研究领域，重塑了对吡咯大环受体的认识，推动和引领了超分子化学的发展。