I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Zongyao Zhou och ett team av forskare inom kemiteknik och fysikalisk vetenskap och ingenjörskonst vid King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien utvecklade ett artificiellt ljusstyrt jonkanalmembran med hjälp av konjugerade mikroporösa polymerer. Teamet inspirerades av ljusstyrda jonkanaler i cellmembran som spelar en viktig roll i många biologiska aktiviteter för att exakt reglera membranets porstorlek och tjocklek på molekylär nivå via bottom-up-design och elektropolymerisationsmetoder. Processen ledde till reversibel "på/av" ljuskontroll för ljusstyrd jontransport över membranet för att leverera väte, kalium, natrium, litium, kalcium, magnesium och aluminiumjoner.

Light-gated membran för jontransport

Ljusstyrda jonkanaler kan reglera transporten av joner i levande celler för att justera elektrisk excitabilitet, kalciuminflöde och andra avgörande cellulära processer. För närvarande är kanalrodopsiner den första och enda klassen av ljusstyrda jonkanaler som identifierats inom biologin, och de har fått mycket uppmärksamhet de senaste åren. Den direkta användningen av ljusstyrda kanalrodopsiner begränsas av den generellt minimala kemiska och fysiska stabiliteten hos proteinerna i yttre miljöer. Forskare har därför genomfört omfattande studier för att utveckla artificiella ljusstyrda jonkanaler för tillämpningar inom neurobiologi, bioelektronik och avfallsrening.

Konstgjorda ljusstyrda jonkanaler kan produceras i labbet genom att modifiera nanoporer med ljuskänsliga funktionella grupper. Konjugerade mikroporösa polymerer (CMP) tillhandahåller en unik klass av porösa organiska material, som visats i tidigare arbete. I detta arbete syntetiserade Zhou et al en de novo styv flexibel azobensen innehållande monomer (azo-CMP) för att uppnå det förväntade ljusstyrda svaret. Teamet lättgjorda strukturellt väldefinierade elementära mikroporer och sammankopplade dem för att bilda smarta jonkanaler i azo-CMP-membranet. Inställningen är bäst lämpad för att underlätta fotoväxlingsmekanismer för att framgångsrikt uppnå "på-av-på" fotoisomerisering för välreglerad jontransport.

Azo-CMP-monomeren bibehöll en fjärilsvingliknande struktur med azobensen som det ljusväxlande gångjärnet på vingen och alkylkedjan som en mjuk länk för att överbrygga gångjärnet och den elektroaktiva karbazolställningen. Teamet designade längden på den mjuka länken för att öka nettoavståndet och gav tillräckligt utrymme för fotoisomerisering av azobensendelen, som de analyserade via molekylära simuleringar. Under experimenten visade monomeren snabb och reversibel fotoisomerisering genom att ändra strålningsvåglängden.

Utveckla azo-CMP-membranen

Forskarna utvecklade azo-CMP-membranen via elektropolymerisation i en elektrokemisk cell med tre katoder. De optimerade reaktionsförhållandena för släta och defektfria azo-CMP-membran och observerade den resulterande kemiska strukturen via Fourier-transform infraröd spektroskopi. Resultaten bekräftade polymerisationen av karbazoler och förekomsten av azobensenenheter i membranen. Teamet modifierade ytans hydrofilicitet och utseendet på membran genom att modifiera de syntetiska parametrarna för att skapa en seg och ojämn membranyta med många mikro- och nanostrukturer.

Fotoisomerisering av membranet

Fotoisomerisering kan leda till strukturella förändringar i molekyler och geometriska förändringar i jonkanalerna. Sådana strukturella förändringar kan leda till en ytpotentialskillnad för azo-CMP-membranen, vilket Zhou et al observerade genom att använda Kelvin-sondkraftsmikroskopi i realtid. Teamet registrerade den förändrade ytpotentialen hos transmembraner efter UV-bestrålning. UV-Vis-spektroskopin underbyggde ytterligare isomerisering av membranen för att indikera snabb och stabil fotoresponsiv trans-cis-trans-isomerisering av azo-CMP-membran. Teamet använde ytterligare experiment för att visa förändringar i kanalstorlek hos membranen i trans- och cis-tillstånd genom mätningar av kväveadsorptionsisotermer, följt av molekylära dynamiksimuleringar för att avslöja förändringar i kanalstorleken för distinkt jonpermeabilitet och selektivitet.

Proof-of-concept:Ljusstyrd jontransport av membranen

Forskarna studerade prestandan hos ljusstyrda jonkanalmembran för kontrollerad jontransport med hjälp av elektriskt drivna jonpermeationstester i en labbkvartscell med två kammare. De fyllde de två kamrarna med liknande koncentrationer av saltlösning och mätte jontransport via ström-spänningsegenskaper hos azo-CMP-membran i trans- och cis-form.

De noterade dynamiken hos membranströmmen/jonkonduktansen i "på-tillståndet" såväl som minskad konduktans vid UV-bestrålning för att indikera ett reducerat jontransporttillstånd som kunde återställas via bestrålning med synligt ljus för att reglera jontransport över smarta kanalmembran . Resultaten lyfte fram omfattningen av de ljusstyrda jonkanalmembranen för farmaceutiska tillämpningar och smart dialys.

Outlook

På detta sätt inspirerades Zongyao Zhou och kollegor av naturligt förekommande kanalrodopsiner för att skapa reversibla och återvinningsbara artificiella ljusstyrda jonkanalmembran. De designade azobensen-innehållande konjugerade mikroporösa (CMP)-monomerer på molekylär nivå genom att introducera en ljusomkopplingsbar azobensen kärnenhet en mjuk alkylkedja och stela elektroaktiva karbazoler. Kemin i membrankanalerna gav ett mycket effektivt trans-till-cis fotoisomeriseringssvar för att reglera jontransport på avstånd och dynamiskt. Produkten är mycket viktig för separationsindustrin, inklusive applikationer för molekylminne i nanoskala, smart läkemedelsfrisättning och fotoresponsiva kemosensorer. + Utforska vidare

En lätt beröring för membranselektivitet

© 2022 Science X Network