In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Zongyao Zhou en een team van wetenschappers in chemische technologie en fysische wetenschappen en techniek aan de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië ontwikkelden een kunstmatig lichtgeleidend ionkanaalmembraan met behulp van geconjugeerde microporeuze polymeren. Het team werd geïnspireerd door lichtgestuurde ionkanalen in celmembranen die een belangrijke rol spelen bij veel biologische activiteiten om de poriëngrootte en -dikte van het membraan op moleculair niveau nauwkeurig te regelen via bottom-up ontwerp en elektropolymerisatiemethoden. Het proces leidde tot een omkeerbare "aan/uit"-lichtregeling voor lichtgestuurd ionentransport over het membraan om waterstof-, kalium-, natrium-, lithium-, calcium-, magnesium- en aluminiumionen te leveren.

Light-gated membranen voor ionentransport

Lichtgevoelige ionenkanalen kunnen het transport van ionen in levende cellen reguleren om de elektrische prikkelbaarheid, calciuminstroom en andere cruciale cellulaire processen aan te passen. Op dit moment zijn channelrhodopsines de eerste en enige klasse van lichtgestuurde ionkanalen die in de biologie zijn geïdentificeerd, en ze hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Het directe gebruik van light-gated channelrhodopsins wordt beperkt door de over het algemeen minimale chemische en fysische stabiliteit van de eiwitten in externe omgevingen. Onderzoekers hebben daarom uitgebreide studies uitgevoerd om kunstmatige, lichtgevoelige ionenkanalen te ontwikkelen voor toepassingen in de neurobiologie, bio-elektronica en afvalzuivering.

Kunstmatige lichtgevoelige ionenkanalen kunnen in het laboratorium worden geproduceerd door nanoporiën te modificeren met op licht reagerende functionele groepen. Geconjugeerde microporeuze polymeren (CMP's) bieden een unieke klasse van poreuze organische materialen, zoals aangetoond in eerder werk. In dit werk synthetiseerden Zhou et al een de novo stijf flexibel azobenzeenbevattend monomeer (azo-CMP) om de verwachte lichtgevoelige respons te bereiken. Het team licht-gated structureel goed gedefinieerde elementaire microporiën en ze onderling verbonden om slimme ionenkanalen in het azo-CMP-membraan te vormen. De opstelling is het meest geschikt om mechanismen voor het schakelen van foto's te vergemakkelijken om met succes "aan-uit-aan" foto-isomerisatie te bereiken voor goed gereguleerd ionentransport.

Het azo-CMP-monomeer behield een vlindervleugelachtige structuur met azobenzeen als het lichtschakelbare scharnier van de vleugel en de alkylketen als een zachte linker om het scharnier en de elektroactieve carbazoolsteiger te overbruggen. Het team ontwierp de lengte van de zachte linker om de netto afstand te vergroten en bood voldoende ruimte voor foto-isomerisatie van de azobenzeengroep, die ze analyseerden via moleculaire simulaties. Tijdens de experimenten vertoonde het monomeer een snelle en omkeerbare foto-isomerisatie door de golflengte van bestraling te veranderen.

Ontwikkelen van de azo-CMP-membranen

De wetenschappers ontwikkelden de azo-CMP-membranen via elektropolymerisatie in een elektrochemische cel met drie kathoden. Ze optimaliseerden de reactieomstandigheden voor gladde en defectvrije azo-CMP-membranen en observeerden de resulterende chemische structuur via Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie. De resultaten bevestigden de polymerisatie van carbazolen en het bestaan ​​van azobenzeeneenheden in de membranen. Het team veranderde de hydrofiliciteit van het oppervlak en het uiterlijk van membranen door de synthetische parameters te wijzigen om een ​​taai en niet-uniform membraanoppervlak te creëren met veel micro- en nanostructuren.

Foto-isomerisatie van het membraan

Foto-isomerisatie kan leiden tot structurele veranderingen in moleculen en geometrische veranderingen in de ionenkanalen. Dergelijke structurele veranderingen kunnen leiden tot een oppervlaktepotentiaalverschil van de azo-CMP-membranen, wat Zhou et al hebben waargenomen met behulp van realtime Kelvin-probekrachtmicroscopie. Het team registreerde het veranderende oppervlaktepotentieel van transmembranen na UV-bestraling. De UV-Vis-spectroscopie heeft de isomerisatie van de membranen verder onderbouwd om een ​​snelle en stabiele foto-responsieve trans-cis-trans-isomerisatie van azo-CMP-membranen aan te geven. Het team gebruikte aanvullende experimenten om veranderingen in kanaalgrootte van de membranen in trans- en cis-toestanden te laten zien door middel van stikstofadsorptie-isothermmetingen, gevolgd door moleculaire dynamische simulaties om veranderingen in de kanaalgrootte te onthullen voor duidelijke ionenpermeabiliteit en selectiviteit.

Proof-of-concept:Light-gated ionentransport van de membranen

De wetenschappers bestudeerden de prestaties van lichtgestuurde ionkanaalmembranen voor gecontroleerd ionentransport met behulp van elektrisch aangedreven ionenpermeatietests in een laboratoriumkwartscel met twee kamers. Ze vulden de twee kamers met vergelijkbare concentraties zoutoplossing en maten het ionentransport via stroom-spanningskarakteristieken van azo-CMP-membranen in de trans- en cis-vorm.

Ze merkten de dynamiek van de membraanstroom / ionengeleiding in de "aan-toestand" op, evenals verminderde geleiding bij UV-bestraling om een ​​verminderde ionentransporttoestand aan te geven die zou kunnen worden hersteld via bestraling met zichtbaar licht om ionentransport over slimme kanaalmembranen te reguleren . De resultaten benadrukten de reikwijdte van de lichtgestuurde ionkanaalmembranen voor farmaceutische toepassingen en slimme dialyse.

Vooruitzichten

Op deze manier werden Zongyao Zhou en collega's geïnspireerd door natuurlijk voorkomende channelrhodopsins om omkeerbare en recyclebare kunstmatige licht-gated ionkanaalmembranen te creëren. Ze ontwierpen azobenzeenbevattende geconjugeerde microporeuze (CMP)-monomeren op moleculair niveau door een lichtschakelbare azobenzeenkerneenheid, een zachte alkylketen en stijve elektroactieve carbazolen te introduceren. De chemie van de membraankanalen leverde een zeer effectieve trans-naar-cis foto-isomerisatiereactie op om ionentransport op afstand en dynamisch te reguleren. Het product is van groot belang voor de scheidingsindustrie, met inbegrip van geheugentoepassingen op nanoschaal, slimme medicijnafgifte en fotogevoelige chemosensoren. + Verder verkennen

Een lichte aanraking voor membraanselectiviteit

© 2022 Science X Network