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研究作者与机构
本研究的作者包括Christine M. E. Kriebisch、Brigitte A. K. Kriebisch、Gregor Häfner、Héctor Soria-Carrera、Yanyan Fei、Marcus Müller和Job Boekhoven。研究主要由德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich）的自然科学学院化学系、哥廷根大学（Georg-August University）的理论物理研究所以及马克斯·普朗克物质与生命学校（Max Planck School Matter to Life）的研究团队共同完成。研究论文发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊，预计于2025年正式出版。
学术背景
本研究的核心领域是化学驱动的主动传输（chemically fueled active transport），旨在模拟生物系统中利用化学能（如ATP）驱动分子跨膜传输的机制。生物系统通过复杂的泵机制（如Ca2+ ATPase泵）维持浓度梯度，这一过程依赖于ATP的化学能。然而，目前合成系统中实现小分子和离子跨膜主动传输的研究较少，现有系统多依赖于被动扩散或光/电化学驱动。本研究的目标是开发一种合成系统，利用化学能驱动分子跨疏水性屏障（如氯仿）进行主动传输，从而模拟生物过程并为合成细胞的设计提供基础。
研究流程
研究分为多个步骤，详细流程如下：
实验设计与设置
研究使用了一个U形玻璃管，其中氯仿（chloroform）作为疏水性屏障，将水相发送端（sender）和接收端（receiver）分隔开。发送端含有200 mM MES缓冲液（pH 6）和二羧酸盐（dicarboxylate）作为传输分子，接收端也含有相同缓冲液以保持pH一致。氯仿相通过搅拌保持均匀混合，以确保传输分子在氯仿中的分布均匀。
被动传输实验
为了验证系统的被动传输能力，研究首先测试了在没有化学燃料的情况下，传输分子（CBZ-D）、燃料（EDC）和废物（EDU）在48小时内的扩散情况。通过核磁共振（NMR）测量，发现仅有极少量分子通过氯仿屏障扩散，证明被动传输效率极低。
化学燃料驱动的传输实验
研究随后测试了化学燃料（EDC）对传输分子（CBZ-D）的激活作用。在发送端加入100 mM EDC后，通过高效液相色谱（HPLC）监测CBZ-D在8天内的传输情况。结果显示，化学燃料显著提高了传输效率，约2%的CBZ-D被传输到接收端，而未加燃料时仅有0.5%的传输。
传输效率的优化
为了优化传输效率，研究测试了不同燃料浓度对传输效率的影响。结果表明，随着燃料浓度的增加，传输分子的数量增加，但传输效率（每单位燃料传输的分子数）并未显著提高。此外，研究还通过调整发送端的长度，发现缩短发送端长度可以显著提高传输效率，最高可达2.5%。
选择性传输实验
研究进一步测试了不同传输分子（如CBZ-D、邻苯二甲酸酐、硝基邻苯二甲酸酐等）的传输效率，发现分子在氯仿中的分配系数（partitioning coefficient）和半衰期（half-life）是影响传输效率的关键因素。通过混合不同分子，研究实现了选择性传输，证明了该系统在分子分选中的潜力。
逆浓度梯度传输实验
最后，研究测试了在发送端和接收端初始浓度相同的情况下，化学燃料驱动的逆浓度梯度传输。结果显示，接收端的CBZ-D浓度在8天内增加了20-30%，证明了该系统能够实现逆浓度梯度的主动传输。
主要结果
1. 被动传输效率极低
在没有化学燃料的情况下，CBZ-D、EDC和EDU的被动传输效率分别为0.3%、5%和0.6%，证明氯仿屏障对分子的扩散具有显著阻碍作用。
化学燃料显著提高传输效率
加入化学燃料后，CBZ-D的传输效率提高了四倍，达到2%。燃料浓度的增加进一步提高了传输分子的数量，但传输效率未显著变化。
发送端长度优化显著提高效率
缩短发送端长度使传输效率提高了十倍，达到2.5%，证明了发送端长度对传输效率的关键影响。
选择性传输与分子分选
通过调整分子的分配系数和半衰期，研究实现了选择性传输，证明了该系统在分子分选中的应用潜力。
逆浓度梯度传输
研究成功实现了逆浓度梯度的主动传输，接收端的CBZ-D浓度在8天内增加了20-30%。
结论与意义
本研究开发了一种基于化学燃料的主动传输系统，成功实现了分子跨疏水性屏障的传输，并展示了其在逆浓度梯度传输和分子分选中的应用潜力。该系统通过简单的化学反应循环模拟了生物泵的功能，为合成细胞的设计和纳米技术中的应用提供了新的思路。研究的创新点在于通过化学燃料的瞬态激活实现了高效的分子传输，避免了复杂泵机制的使用。
研究亮点
1. 创新的传输机制
通过化学燃料的瞬态激活，实现了高效的分子跨疏水性屏障传输，避免了复杂泵机制的使用。
高效的选择性传输
通过调整分子的分配系数和半衰期，实现了分子分选，展示了该系统在复杂混合物分离中的应用潜力。
逆浓度梯度传输
成功实现了逆浓度梯度的主动传输，为合成细胞的设计提供了重要参考。
优化传输效率
通过调整发送端长度和燃料浓度，显著提高了传输效率，为系统的实际应用奠定了基础。
这篇研究为化学驱动的分子传输提供了新的视角和方法，具有重要的科学和应用价值。