Mikroporøse polymermembraner til let-gatet iontransport

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Zongyao Zhou og et team af videnskabsmænd inden for kemiteknik og fysisk videnskab og teknik ved King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabien udviklede en kunstig lys-gated ionkanalmembran ved hjælp af konjugerede mikroporøse polymerer. Holdet blev inspireret af lys-gatede ionkanaler i cellemembraner, der spiller en vigtig rolle i mange biologiske aktiviteter for præcist at regulere membranens porestørrelse og tykkelse på molekylært niveau via bottom-up design og elektropolymeriseringsmetoder. Processen førte til reversibel "tænd/sluk" lyskontrol til lysstyret iontransport over membranen for at levere brint-, kalium-, natrium-, lithium-, calcium-, magnesium- og aluminiumioner.

Light-gatede membraner til iontransport

Lys-gatede ionkanaler kan regulere transporten af ​​ioner i levende celler for at justere elektrisk excitabilitet, calciumtilstrømning og andre afgørende cellulære processer. På nuværende tidspunkt er channelrhodopsiner den første og eneste klasse af lys-gatede ionkanaler, der er identificeret i biologien, og de har fået meget opmærksomhed i de senere år. Den direkte brug af lys-gatede kanalrhodopsiner er begrænset af proteinernes generelt minimale kemiske og fysiske stabilitet i eksterne miljøer. Forskere har derfor udført omfattende undersøgelser for at udvikle kunstige lys-gatede ionkanaler til anvendelser på tværs af neurobiologi, bioelektronik og affaldsrensning.

Kunstige lys-gatede ionkanaler kan produceres i laboratoriet ved at modificere nanoporer med lys-responsive funktionelle grupper. Konjugerede mikroporøse polymerer (CMP'er) giver en unik klasse af porøse organiske materialer, som vist i tidligere arbejde. I dette arbejde syntetiserede Zhou et al en de novo stiv fleksibel azobenzen indeholdende monomer (azo-CMP) for at opnå den forventede lys-gatede respons. Holdet afgrænsede strukturelt veldefinerede elementære mikroporer og forbandt dem til at danne smarte ionkanaler i azo-CMP-membranen. Opsætningen er bedst egnet til at lette foto-switch-mekanismer for med succes at opnå "on-off-on" fotoisomerisering til velreguleret iontransport.

Azo-CMP-monomeren bibeholdt en sommerfuglevingelignende struktur med azobenzen som det lys-omskiftelige hængsel af vingen og alkylkæden som en blød linker for at bygge bro mellem hængslet og det elektroaktive carbazol-stillads. Holdet designede længden af ​​den bløde linker for at øge nettoafstanden og gav tilstrækkelig plads til fotoisomerisering af azobenzendelen, som de analyserede via molekylære simuleringer. Under eksperimenterne viste monomeren hurtig og reversibel fotoisomerisering ved at ændre bølgelængden af ​​bestråling.

Udvikling af azo-CMP-membranerne

Forskerne udviklede azo-CMP-membranerne via elektropolymerisation i en elektrokemisk celle med tre katoder. De optimerede reaktionsbetingelserne for glatte og defektfrie azo-CMP-membraner og observerede den resulterende kemiske struktur via Fourier-transformation infrarød spektroskopi. Resultaterne bekræftede polymerisationen af ​​carbazoler og eksistensen af ​​azobenzenenheder i membranerne. Holdet modificerede overfladens hydrofilicitet og udseendet af membraner ved at modificere de syntetiske parametre for at skabe en sej og uensartet membranoverflade med mange mikro- og nanostrukturer.

Fotoisomerisering af membranen

Fotoisomerisering kan føre til strukturelle ændringer i molekyler og geometriske ændringer i ionkanalerne. Sådanne strukturelle ændringer kan føre til en overfladepotentialforskel af azo-CMP-membranerne, som Zhou et al observerede ved at bruge Kelvin-probekraftmikroskopi i realtid. Holdet registrerede det skiftende overfladepotentiale af transmembraner efter UV-bestråling. UV-Vis-spektroskopien underbyggede yderligere isomerisering af membranerne for at indikere hurtig og stabil fotoresponsiv trans-cis-trans-isomerisering af azo-CMP-membraner. Holdet brugte yderligere eksperimenter til at vise ændringer i kanalstørrelse af membranerne i trans- og cis-tilstande gennem nitrogenadsorptionsisotermmålinger, efterfulgt af molekylær dynamiksimuleringer for at afsløre ændringer i kanalstørrelsen for distinkt ionpermeabilitet og selektivitet.

Proof-of-concept:Let-styret iontransport af membranerne

Forskerne undersøgte ydeevnen af ​​lys-gatede ionkanalmembraner til kontrolleret iontransport ved hjælp af elektrisk drevne ionpermeationstests i en laboratoriekvartscelle med to kamre. De fyldte de to kamre med lignende koncentrationer af saltopløsning og målte iontransport via strøm-spændingskarakteristika for azo-CMP-membraner i trans- og cis-form.

De bemærkede dynamikken i membranstrømmen/ionkonduktansen i "on-state" såvel som nedsat konduktans ved UV-bestråling for at indikere en reduceret iontransporttilstand, der kunne genoprettes via bestråling med synligt lys for at regulere iontransport over smartkanalmembraner . Resultaterne fremhævede omfanget af de lys-gatede ionkanalmembraner til farmaceutiske applikationer og smart dialyse.

Outlook

På denne måde blev Zongyao Zhou og kolleger inspireret af naturligt forekommende kanalrhodopsiner til at skabe reversible og genanvendelige kunstige lys-gatede ionkanalmembraner. De designede azobenzenholdige konjugerede mikroporøse (CMP)-monomerer på molekylært niveau ved at introducere en lys-omskiftelig azobenzen-kerneenhed, en blød alkylkæde og stive elektroaktive carbazoler. Kemien af ​​membrankanalerne leverede et yderst effektivt trans-til-cis fotoisomeriseringsrespons til at regulere iontransport fjernt og dynamisk. Produktet er væsentligt vigtigt for separationsindustrien, herunder molekylehukommelsesapplikationer i nanoskala, intelligent frigivelse af lægemidler og fotoresponsive kemosensorer. + Udforsk yderligere

Et let tryk for membranselektivitet

© 2022 Science X Network