Water-Pore Flow Permeation through Multivalent H-Bonding Pyridine-2,6-dicarboxamide-histamine/Histidine Water Channels
Résumé
Aquaporins (AQPs) are natural proteins that can selectively transport water across cell membranes. Heterogeneous H-bonding of water with the inner wall of the pores of AQPs is of maximal importance regarding the optimal stabilization of water clusters within channels, leading to selective pore flow water transport against ions. To gain deeper insight into the water permeation mechanisms, simpler artificial water channels (AWCs) have been developed. Several H-bonding motifs (i.e., imidazole, polyhydroxy, etc.) have been reported as distinct and efficient for water-cluster stabilization within AWCs. Herein we combine two pyridine-2,6 dicarboxamide and imidazole to conceive multivalent U-shaped AWCs able to stabilize, like in AQP water clusters via different H-bonding groups. The crystal structures reveal that stable water superstructures are formed in the solid state, one with hydrophilic pores of ∼9 Å diameter, accommodating water clusters, and one with sterically hindered hydrophobic channels of ∼3 Å diameter, stabilizing water wires. As a result, a single-channel permeability of 1.2 × 107 H2O/s/channel has been achieved by the U-channels, which is only 1 order of magnitude lower than that of AQPs. Moreover, U-channels perform proton transport and completely reject anions and potentially can be applied in desalination membranes. Molecular simulation confirmed that U-channels can generate stable supramolecular porous sponges when they are decorated with hydrophobic alkyl chains featuring multivalent water H-bonding units that serve as water-cluster relays within the channel. To the best of our knowledge, this work is a rare biomimetic example of the importance of water-cluster stabilization via multivalent H-bonding and toward selective transport through water channels.
Les aquaporines (AQP) sont des protéines naturelles qui peuvent transporter sélectivement l'eau à travers les membranes cellulaires. La liaison hydrogène hétérogène de l'eau avec la paroi interne des pores des AQP est d'une importance capitale concernant la stabilisation optimale des clusters d'eau dans les canaux, conduisant à un transport d'eau sélectif à travers les pores, tout en rejetant les ions. Pour mieux comprendre les mécanismes de perméation de l'eau, des canaux artificiels d'eau (AWC) plus simples ont été développés. Plusieurs motifs de liaison hydrogène (comme l'imidazole, le polyhydroxy, etc.) ont été identifiés comme distincts et efficaces pour la stabilisation des clusters d'eau dans les AWC. Dans cette étude, nous combinons deux pyridine-2,6 dicarboxamide et imidazole pour concevoir des AWC multivalents en forme de U capables de stabiliser, comme dans les AQP, des clusters d'eau via différents groupes de liaison hydrogène. Les structures cristallines révèlent que des superstructures d'eau stables sont formées à l'état solide : l'une avec des pores hydrophiles d'environ 9 Å de diamètre, accueillant des clusters d'eau, et l'autre avec des canaux hydrophobes stériquement encombrés d'environ 3 Å de diamètre, stabilisant des fils d'eau. En conséquence, une perméabilité de canal unique de 1,2 × 10^7 H₂O/s/canal a été atteinte par les canaux en U, ce qui est seulement un ordre de grandeur inférieur à celle des AQP. De plus, les canaux en U permettent le transport de protons et rejettent complètement les anions, ce qui les rend potentiellement applicables dans les membranes de désalinisation. Les simulations moléculaires ont confirmé que les canaux en U peuvent générer des éponges poreuses supramoléculaires stables lorsqu'ils sont décorés avec des chaînes alkyles hydrophobes comportant des unités de liaison hydrogène multivalentes qui servent de relais pour les clusters d'eau dans le canal. À notre connaissance, ce travail est un rare exemple biomimétique de l'importance de la stabilisation des clusters d'eau via la liaison hydrogène multivalente pour un transport sélectif à travers les canaux d'eau.
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