Rappresentazione schematica della strategia di progettazione “dal basso verso l'alto” per la costruzione della membrana del canale ionico artificiale controllata dalla luce. (A) Isomerizzazione reversibile trans-cis-trans del monomero azo-CMP sintetizzato e (B) la struttura dei pori elementare della membrana azo-CMP. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abo2929
In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Zongyao Zhou e un team di scienziati in ingegneria chimica e scienze fisiche e ingegneria presso la King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita hanno sviluppato una membrana artificiale a canale ionico con barriera alla luce utilizzando polimeri microporosi coniugati. Il team è stato ispirato dai canali ionici con gate di luce nelle membrane cellulari che svolgono un ruolo importante in molte attività biologiche per regolare con precisione la dimensione e lo spessore dei pori della membrana a livello molecolare tramite la progettazione dal basso verso l'alto e metodi di elettropolimerizzazione. Il processo ha portato al controllo della luce "on/off" reversibile per il trasporto di ioni light-gated attraverso la membrana per fornire ioni di idrogeno, potassio, sodio, litio, calcio, magnesio e alluminio.
Membrane light-gate per il trasporto ionico
I canali ionici controllati dalla luce possono regolare il trasporto di ioni nelle cellule viventi per regolare l'eccitabilità elettrica, l'afflusso di calcio e altri processi cellulari cruciali. Attualmente, le channelrhodopsins sono la prima e unica classe di canali ionici light-gated identificati in biologia e hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni. L'uso diretto di channelrhodopsins light-gated è limitato dalla stabilità chimica e fisica generalmente minima delle proteine negli ambienti esterni. I ricercatori hanno quindi condotto studi approfonditi per sviluppare canali ionici artificiali protetti da luce per applicazioni in neurobiologia, bioelettronica e purificazione dei rifiuti.
I canali ionici artificiali controllati dalla luce possono essere prodotti in laboratorio modificando i nanopori con gruppi funzionali sensibili alla luce. I polimeri microporosi coniugati (CMP) forniscono una classe unica di materiali organici porosi, come mostrato nel lavoro precedente. In questo lavoro, Zhou et al hanno sintetizzato un azobenzene rigido flessibile de novo contenente monomero (azo-CMP) per ottenere la risposta light-gated prevista. Il team ha illuminato i micropori elementari strutturalmente ben definiti e li ha interconnessi per formare canali ionici intelligenti nella membrana azo-CMP. La configurazione è più adatta per facilitare i meccanismi di commutazione della foto per ottenere con successo la fotoisomerizzazione "on-off-on" per un trasporto ionico ben regolato.
Membrane Azo-CMP. (A) Struttura del monomero sintetizzato e meccanismo di elettropolimerizzazione. (B) Profili CV della reazione elettrochimica di ossidazione-riduzione registrati su 50 cicli di scansione CV. (C) Spessore della membrana in funzione del numero di cicli CV. (D) Immagine SEM di superficie ad ampia area della membrana azo-CMP@200-50c su una griglia di rame. (E) Immagine SEM ad alto ingrandimento della superficie della membrana azo-CMP@200-50c. (F) Immagine SEM in sezione trasversale della membrana azo-CMP @ 200-50c su un supporto di ossido di alluminio anodico (AAO). (G) Immagine dell'altezza AFM della membrana azo-CMP@200-50c trasferita su un wafer di silicio e (H) corrispondente profilo di altezza della membrana. (I) Immagine AFM della membrana azo-CMP@200-50c. RMS, radice quadrata media. (J) Immagine AFM con la mappatura nanomeccanica quantitativa della forza di picco (PFQNM) e (K) il corrispondente profilo del modulo di Young della membrana. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abo2929
Il monomero azo-CMP ha mantenuto una struttura simile ad un'ala di farfalla con azobenzene come cerniera commutabile con la luce dell'ala e la catena alchilica come collegamento morbido per collegare la cerniera e l'impalcatura di carbazolo elettroattivo. Il team ha progettato la lunghezza del soft linker per aumentare la distanza netta e ha fornito spazio sufficiente per la fotoisomerizzazione della parte azobenzene, che hanno analizzato tramite simulazioni molecolari. Durante gli esperimenti, il monomero ha mostrato una fotoisomerizzazione rapida e reversibile modificando la lunghezza d'onda dell'irradiazione.
Sviluppo delle membrane azo-CMP
Gli scienziati hanno sviluppato le membrane azo-CMP tramite elettropolimerizzazione in una cella elettrochimica a tre catodi. Hanno ottimizzato le condizioni di reazione per membrane azo-CMP lisce e prive di difetti e hanno osservato la struttura chimica risultante tramite la spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier. I risultati hanno confermato la polimerizzazione dei carbazoli e l'esistenza di unità azobenzene nelle membrane. Il team ha modificato l'idrofilia della superficie e l'aspetto delle membrane modificando i parametri sintetici per creare una superficie della membrana resistente e non uniforme con molte micro e nanostrutture.
Isomerizzazione trans-cis-trans reversibile della membrana azo-CMP@200-50. (A) Immagine KPFM in situ in tempo reale della membrana e (B) profilo potenziale corrispondente. (C) Spettri di assorbimento UV-vis dell'isomerizzazione trans-cis alla luce UV e (D) rapporto dello stato trans/cis con il tempo di irradiazione della luce UV. (E) Spettri UV-vis di isomerizzazione da cis a trans sotto vis-luce e (F) rapporto di stato trans/cis con tempo di irradiazione vis-luce. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abo2929
Fotoisomerizzazione della membrana
La fotoisomerizzazione può portare a cambiamenti strutturali nelle molecole e cambiamenti geometrici nei canali ionici. Tali cambiamenti strutturali possono portare a una differenza di potenziale superficiale delle membrane azo-CMP, che Zhou et al hanno osservato utilizzando la microscopia a forza della sonda Kelvin in tempo reale. Il team ha registrato il cambiamento del potenziale di superficie delle transmembrane dopo l'irradiazione UV. La spettroscopia UV-Vis ha ulteriormente confermato l'isomerizzazione delle membrane per indicare un'isomerizzazione trans-cis-trans fotoreattiva rapida e stabile delle membrane azo-CMP. Il team ha utilizzato ulteriori esperimenti per mostrare i cambiamenti nella dimensione del canale delle membrane negli stati trans e cis attraverso misurazioni dell'isoterma di adsorbimento dell'azoto, seguite da simulazioni di dinamica molecolare per rivelare i cambiamenti nella dimensione del canale per una permeabilità e selettività ionica distinte.
Distribuzione delle dimensioni dei pori della membrana azo-CMP@200-50c. (A) La membrana negli stati trans e (B) cis. (C) Distribuzione simulata delle dimensioni dei pori della membrana negli stati trans e cis. Una vista 3D della membrana negli stati (D) trans ed (E) cis (volume libero in grigio e superficie di Connolly in blu). Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abo2929
Trasporto ionico light-gated delle membrane azo-CMP@200-50c. (A) Schema schematico del setup per le prove in campo elettrico. (B) La conduttanza Al3+ cambia sotto l'alternanza di luce UV e irraggiamento vis-luce calcolata sulla base dei dati di fig. S28. Gli inserti mostrano l'illustrazione del trasporto ionico controllabile nei canali ionici con stati di attivazione e disattivazione. (C) Curve IV delle membrane registrate in una soluzione di KCl 10 mM durante l'isomerizzazione da trans a cis alla luce UV. (D) K+-conduttanza relativa cambia in cicli successivi sotto l'alternanza di luce UV e irraggiamento vis-luce. La conduttanza relativa si ottiene confrontando la conduttanza del K+ con quella dell'acqua deionizzata (fig. S29). (E) Corrente degli ioni comuni registrata nello stato on e off della membrana sotto una tensione di 0,5 V. Nota:la corrente in (E) è stata normalizzata dal numero delle cariche ioniche in base ai dati nelle figg. S28 e S30. (F) Tasso di permeazione K+ e Al3+ testato in un processo di permeazione ionica basato sulla concentrazione. L'inserto mostra i dettagli del tasso di permeazione di Al3+. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abo2929
Proof-of-concept:trasporto ionico light-gated delle membrane
Gli scienziati hanno studiato le prestazioni delle membrane dei canali ionici con controllo della luce per il trasporto ionico controllato utilizzando test di permeazione ionica azionati elettricamente in una cella di quarzo di laboratorio con due camere. Hanno riempito le due camere con concentrazioni simili di soluzione salina e hanno misurato il trasporto di ioni tramite le caratteristiche di corrente-tensione delle membrane azo-CMP nella forma trans e cis.
Hanno notato la dinamica della corrente di membrana/conduttanza ionica nello "stato attivo" e una diminuzione della conduttanza all'irradiazione UV per indicare uno stato di trasporto ionico ridotto che potrebbe essere ripristinato tramite irradiazione con luce visibile per regolare il trasporto ionico attraverso le membrane dei canali intelligenti . I risultati hanno evidenziato la portata delle membrane del canale ionico light-gated per applicazioni farmaceutiche e dialisi intelligente.
Prospettiva
In questo modo, Zongyao Zhou e colleghi sono stati ispirati dalle canalrodopsine presenti in natura per creare membrane di canali ionici artificiali reversibili e riciclabili con gate di luce. Hanno progettato monomeri microporosi coniugati (CMP) contenenti azobenzene a livello molecolare introducendo un'unità centrale di azobenzene commutabile con la luce, una catena alchilica morbida e carbazoli elettroattivi rigidi. La chimica dei canali della membrana ha fornito una risposta di fotoisomerizzazione trans-cis altamente efficace per regolare il trasporto ionico in modo remoto e dinamico. Il prodotto è significativamente importante per l'industria della separazione, comprese le applicazioni di memoria molecolare su nanoscala, il rilascio di farmaci intelligenti e i chemosensori fotoreattivi. + Esplora ulteriormente
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