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Highly Efficient Artificial Potassium Ion Channels Constructed via Supramolecular Cooperativity

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作者
Zhaocheng Xu,Changqing Zhang,Ze Lin,Xin Dong,Mingyuan Lu,Zeyuan Dong
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:10 (10): 8027-8035
标识
DOI:10.1021/acssensors.5c02662
摘要

Artificial ion channels, as synthetic analogues of biological ion channels, hold great promise in biomedical applications, particularly in the treatment of ion channel-related diseases. Building on our previous discovery of artificial potassium ion channel, we developed a series of biomimetic K+ channels by incorporating directional supramolecular interactions (π stacking, hydrogen bonding) so as to enhance molecular assembly inside the lipid membrane. Surprisingly, these aromatic helix-based channels with a pore size of 2.7 Å exhibit remarkable K+ selectivity. Notably, one of these channels exhibits high ion selectivity among synthetic models, achieving a K+/Na+ selectivity ratio of 37.8, which reaches 48% of that of the canonical KcsA potassium channel under identical experimental conditions. Furthermore, these helix-based channels can efficiently transport potassium ions, with the highest transport activity (EC50) reaching as low as 6.4 nM, which represents the best performance among artificial K+ channels and is comparable to that of natural gramicidin A as well. Studies on the structure–property relationships reveal that nanopore preorganization and supramolecular cooperativity are critical for efficient ion transport. Importantly, the supramolecular cooperativity mediated by hydrogen bonding achieves a 5-fold enhancement in transport activity. These findings present a fundamental supramolecular strategy for the design of highly efficient artificial ion channels, which will facilitate their applications in the treatment of ion channelopathies.
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