在生物化學體系中，離子的跨膜定向遷移是細胞維持穩態及生命非平衡狀態的核心。其中，主動運輸（Active Transport）通過驅動離子逆濃度梯度遷移，在神經信號傳導、滲透壓調節及代謝轉化中發揮著決定性作用。相比于直接消耗代謝能（如ATP）的初級主動運輸，次級主動運輸（Secondary Active Transport）巧妙地利用既有的化學梯度作為驅動力，實現目標物種的選擇性逆濃度富集。然而，在人工超分子體系中，如何擺脫對光、電及化學燃料等外部能量輸入的依賴，僅依靠分子載體自身的結構設計感知并利用環境勢差，實現離子的次級主動轉運始終是超分子與仿生工程領域最具挑戰性的核心科學問題。

近日，湖南大學何清教授與美國德克薩斯大學奧斯汀分校Jonathan L. Sessler教授團隊在國際頂尖化學期刊《Chem》上發表了題為“Secondary active ion transport against concentration gradients”的最新研究成果。該研究報道了一種能夠在既有的化學梯度驅動下實現逆濃度梯度離子遷移的人工分子體系，為人工次級主動運輸的構建提供了新的思路。

圖1.生物與人工離子傳輸示意圖。(A)由外部能量輸入驅動的生物初級主動運輸； (B)由既有的化學梯度的生物次級主動運輸； (C)由外部能量輸入驅動的人工初級主動運輸； (D)由濃度梯度驅動的生物被動運輸； (E)由濃度梯度驅動的人工被動運輸； (F)由電化學梯度驅動的人工次級主動運輸（本文工作）。

一、 全酰胺超蕃載體的設計與合成

研究團隊通過亞胺縮合與Pinnick氧化反應，構建了一種高度對稱的全酰胺超蕃分子籠POP-SP。該超蕃具有高度預組織的三維空腔，其內部排列有12個指向籠腔中心的酰胺氫鍵位點，可為陰離子提供多點協同結合環境。主客體實驗表明，POP-SP對NO3?（Ka= 1987 ± 311 M?1）表現出顯著優于Cl?、F?及HCO3?等競爭陰離子的結合能力。單晶X射線衍射進一步證實，NO3?被穩定包結于超蕃空腔內部，并通過多重氫鍵形成高度匹配的限域結構。

圖2.全酰胺超蕃分子籠POP-SP的合成策略及NO??@POP-SP復合物結構鑒定。(A) POP-SP的兩種合成策略； (B) POP-SP在無（下）和加入20當量（上）NO??（以四丁基銨鹽TBA?形式加入）條件下，于DMSO-d?/D?O（9:1，v/v）中的部分1H NMR譜圖； (C) NO??·H?O@POP-SP復合物單晶結構的正視圖； (D) NO??·H?O@POP-SP復合物單晶結構的俯視圖。

二、 實現逆濃度梯度NO??跨膜遷移

研究團隊進一步利用U型管液膜體系研究POP-SP的跨膜運輸行為。實驗結果顯示，即使在多種競爭陰離子共存條件下，POP-SP仍能夠選擇性介導NO??跨膜遷移，而Cl?、F?及HCO??等離子的運輸幾乎可以忽略，展現出優異的識別精度與傳輸選擇性。更重要的是，在源相（IN相）與接收相（OUT相）NO??初始濃度相同的條件下，當IN相引入高濃度競爭鹽（如NaCl或Na?SO?）后，研究者觀察到NO??持續向OUT相富集。這一現象表明，該體系已經突破傳統被動擴散模式，實現了真正意義上的逆濃度梯度離子遷移。進一步研究發現，不同水合能的竟爭鹽會顯著影響NO??的傳輸效率，說明體系的驅動力來源于竟爭鹽所建立的跨膜電化學勢差。

圖3.硝酸根離子傳輸研究。(A) U形管液膜傳輸裝置示意圖；(B) OUT相（初始為去離子水）中NO??濃度隨時間變化曲線：分別比較僅含100 ppm NaNO?（紅色）以及含100 ppm NaNO?并同時含有競爭陰離子F?、Cl?和HCO??（質量比1:1:1）的體系，其中競爭鹽總濃度分別為100 ppm（青色）和1,000 ppm（黑色）；(C)當IN相（初始含1,000 ppm NaNO?）中加入飽和鈉鹽（NaF、NaBr、NaHCO?、NaCl、Na?SO?和Na?HPO?）時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加；(D)當IN相中加入1.0 M鈉鹽（NaF、NaBr、NaHCO?、NaCl、Na?SO?和Na?HPO?），且各體系初始均含1,000 ppm NaNO?時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加；(E)當IN相中加入不同陽離子的1.0 M氯化物鹽（Na?、TEA?、Mg2?和La3?），且各體系初始均含1,000 ppm NaNO?時，OUT相（初始1,000 ppm NaNO?）中NO??濃度的增加。所有實驗中，POP-SP（1,627 ppm；1.0 mM）均溶解于CHCl?膜相中，OUT相中的NO??濃度通過離子色譜（IC）測定。誤差棒表示標準偏差（SD，n = 3）。

三、 電化學勢差驅動的人工次級主動運輸機制

結合分子動力學模擬與15N NMR波譜分析，作者提出了POP-SP介導主動運輸的可能機制。

1. 高鹽環境促進NO??脫溶劑化

在高鹽IN相（如Na?SO?或NaCl體系）中，目標陰離子NO??的跨膜轉移首先受到溶劑化環境的顯著調控。高水合能力的背景離子可能通過改變水結構與離子–水相互作用，削弱NO??的局域水合穩定性，從而降低其進入有機相所需的脫溶劑化能壘。在此基礎上，POP-SP憑借其預組織空腔與多點氫鍵位點，對部分脫水的NO??產生選擇性識別作用，形成主客體復合物 [NO? ? POP-SP]?，實現界面捕獲。

2. 主客體復合物跨膜擴散

形成的復合物在有機相中通過濃度梯度驅動發生擴散遷移。為維持整體電荷平衡，Na?以對離子的形式參與遷移過程，形成動態離子對環境，從而促進復合物在疏水相中的穩定傳輸。與此同時，POP-SP的籠狀結構在空間上屏蔽溶劑與雜質干擾，提高了運輸過程的選擇性與方向性。

3.再水合驅動的釋放過程

當復合物到達低離子強度的OUT相時，局部溶劑化環境發生顯著變化。在自由水分子較多的環境中，NO??與水的相互作用增強，導致其與載體之間結合自由能的重新分配，從而促進客體釋放并進入水相。釋放后的POP-SP恢復空載狀態。

4. 載體再生與循環（載體回收）：

脫載后的空載體（POP-SP）在濃度梯度驅動下，經有機膜擴散回IN相界面，開啟下一輪捕獲循環，從而實現持續的逆濃度梯度轉運。

圖4. POP-SP介導NaNO?通過CHCl?膜在U形管體系中進行主動傳輸的示意圖。

四、 結論與學術意義

該工作通過理性超分子構效關系設計，發展了一類基于全酰胺超蕃分子籠的新型陰離子載體，實現了無需光、電或化學燃料驅動的人工次級主動離子運輸。與傳統依賴外部刺激的人工主動運輸體系不同，該體系僅依賴既有的化學梯度即可實現NO??的逆濃度梯度遷移，展現出與生物膜泵相似的功能特征。這一研究不僅為人工主動運輸體系的構建提供了新的分子模型，也為復雜鹽環境中的離子分離、資源回收以及仿生分子機器設計提供了新的研究思路。

文獻詳情

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

通訊作者介紹

何清，湖南大學教授、博士生導師、國家海外高層次青年人才。2010年7月于湖南師范大學制藥工程系獲學士學位；2015年7月于中國科學院化學研究所獲得理學博士學位；2015年7月–2019年3月在（美國）德克薩斯大學奧斯汀分校化學系從事博士后研究（合作導師為Jonathan L. Sessler教授）；2019年入選國家海外高層次人才青年項目回國工作，任湖南大學化學系教授。主持/承擔國家自然科學基金面上項目、青年項目及國家重點研發計劃子課題等多項課題。主要研究方向為超分子化學和新型功能材料，包括分子籠化學（超蕃化學與塔籠化學）、新型非共價相互作用力、先進超分子材料（非多孔非晶態超吸附材料、超分子離子傳導膜）和超分子分離技術。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.等國際著名期刊上發表學術論文60余篇，申請/授權專利8項。榮獲2025年度“Thieme Chemistry Journals Award”、“2025 The Sessler Early Career Researcher Prize”等獎項。目前擔任《四面體》（Tetrahedron）和《四面體快報》（Tetrahedron Letters）青年編委、《Tetrahedron Chem》客座編輯。

喬納森·塞斯樂（Jonathan L. Sessler），1956年5月20日出生于美國伊利諾伊州，美國超分子化學家 ，中國科學院外籍院士，美國國家科學院院士，歐洲科學院院士，美國藝術與科學院院士，美國發明家科學院院士，德克薩斯大學奧斯汀分校化學教授。

喬納森·塞斯樂于1977年獲加利福尼亞大學伯克利分校化學學士學位；1982年獲斯坦福大學有機化學博士學位；1982年—1984年在斯特拉斯堡大學和京都大學從事博士后研究工作；1984年9月任德克薩斯大學奧斯汀分校化學助理教授；1989年9月晉升為副教授；1992年9月晉升為教授；2015年9月任上海大學特聘教授；2015年當選為美國發明家科學院院士；2019年當選為歐洲科學院院士；2021年當選為美國國家科學院院士；2022年當選為美國藝術與科學院院士；2023年11月當選為中國科學院外籍院士。

喬納森·塞斯樂主要研究領域為生物無機化學、生物有機化學、化學生物學藥物發現與診斷、環境化學等。他創建了擴展卟啉主體體系，在化學、環境和醫學等多學科交叉領域取得了突破性成果；開啟了人工合成吡咯大環的研究領域，重塑了對吡咯大環受體的認識，推動和引領了超分子化學的發展。