所有的细胞都有细胞膜和跨膜离子转运系统的存在。生命需要特殊的密闭环境,但是也需要和外面的世界进行不断的物质交换。这种交换是高效的、选择性的,同时会接受生命体的调控,并会对整个生命体的状态产生影响。因此离子、水和糖等小分子的跨膜转运活动及其分子基础对于生命的意义非同一般。有了这样一套系统,生命体才能进行正常的新陈代谢和各种生理活动,包括心跳、味觉、触觉、神经冲动等等。从1982年第一个人工离子通道化合物被报道迄今为止的34年间,化学家进行了不断的努力试图构建可以与大自然相媲美的跨膜离子转运系统。从最早的修饰环糊精到最近报道的折叠体衍生物,从接近天然的多肽分子到无机的碳纳米管,从单碳原子的气态氟化小分子到复杂的DNA机器,各种各样的结构被用于实现细胞膜渗透性的改变。不仅仅是由于物质跨膜运输系统对于生命的重要性,更是为了能向大自然经过亿万年进化后所留下的这一最为精妙和高效的体系进行学习,了解其中的规律和奥妙。得益于科学的不断发展,各种可以应用于该领域的表征和证明的手段日益成熟和多样,使得我们可以对人工的跨膜体系和天然蛋白质系统进行细致入微的探究和分析。而且随着研究的深入,越来越多的人工系统已经在体内和体外的生物实验中表现出良好的效果,为人们将来进一步开发需要的药物传递系统、离子通道病的治疗和临床工具提供了希望。除此之外,经过基因过程和化学修饰的半人工系统已经在DNA测序、水净化膜等方面取得了相当的进步和成果,有些成功的产品已经被开发出来。虽然今天的人工离子跨膜运输体系面临着巨大的挑战,但是也充满着机遇。首先,目前大多数人工的离子跨膜转运体系无论从通道效率还是离子选择性上都还无法与天然系统相匹敌。而对于实际应用来说,最小的剂量和最高的效率始终是一个重要的指标。其次,具有“活的”生命体特征的离子通道,也即可以对外界刺激响应的智能型体系的构建仍然处于初级阶段。构建智能型跨膜离子转运体系是向大自然学习的一个重要参数和终极目标。因此,我们立足于使用简单、成本低、耗时少的化学合成手段,通过理性设计,得到了三种不同的离子跨膜传输系统。在这些系统中,我们分别探讨和研究了追求高的离子转运效率、智能性和适用性、离子选择性等不同特性时的一些规律和设计原则。1.我们在前人三脚架型离子转运体研究的基础上,以含不同氧族元素的双胺基小分子作为骨架,以硫脲基作为结合阴离子的氢键给体,合成了9种不同的简单小分子离子转运体,试图寻找高效的两脚架型离子转运体,并探究优化其效率的方法。我们从阴离子结合常数、分子脂溶性以及它们转运体的离子传输效率的关系进行了详细的测试和分析,发现不同的氧族元素和不同的芳香取代基对于转运体的效率有着清晰而又不同的影响。而且,从这9种分子中,我们得到了一种效率极高的阴离子转运体,其活性几乎已经可以达到天然产物的水平。2.我们利用已经得到的含硒双脚架型离子转运体构建了智能型纳米粒子离子转运系统。这样的体系可以对与生理活动密切相关的含巯基分子(例如谷胱甘肽、半胱氨酸等)做出响应。在纳米粒子的状态下,离子转运体由于淬灭效应效应而失活。而这种纳米粒子因为较小的半径可以在高浓度时分散在水中,解决了其转运体分子水溶性差的问题。在利用巯基对纳米粒子进行激活时,由于体系的超敏感性,我们可以对体系进行多种方式的定量的调控。最终,我们还尝试用这样的体系对巯基进行超灵敏的监测,发现其检测限可以达到纳摩尔级别。3.我们利用纳米级的具有清晰的精细螺旋结构的聚合物构建了一个跨膜通道体系。这一体系由于螺旋聚合物坚固刚性的骨架、合适的可以匹配磷脂层结构的尺寸和多重柔性长链,而具有极高的通道稳定性和离子传输效率。这一通道还有特定的阳离子选择性和水分子传输的能力。通过进一步比较不同长度的螺旋聚合物通道在离子选择性、单通道寿命和电导等性质方面的不同点和相似点,我们还发现这样的通道体系可以作为研究天然通道蛋白体系的模型和工具。这些新颖的跨膜离子转运体系具有各自不同的特色和其独特的优点,因此有着巨大的潜力和应用价值,可以在不同的场景下发挥独特的生物功能。