纳米通道调控的光驱动生物电容器

生物体细胞膜上存在着各种功能的离子泵蛋白和离子通道蛋白,例如钠钾泵蛋白和氯离子通道族蛋白。离子泵蛋白能够定向地跨膜传递离子,在细胞膜内外产生跨膜电势差;而离子通道蛋白通过蛋白内部的纳米通道进行离子扩散,从而降低电势差。通过两种蛋白的协同作用,构成一个完整的跨细胞膜离子循环和电势平衡,使得细胞膜具有类似于电容的性质,可以在特定条件下进行细胞膜内外充放电行为(充电——产生跨膜电势;放电——降低电势差)。这种细胞膜生物电容特性对细胞表面电脉冲信号的传递、维持细胞膜内外渗透压和能量转化等功能都具有至关重要的作用。目前科学家主要关注于离子泵蛋白或通道蛋白的单一功能模拟,对生物电容性质的重要性认识不足,尤其是对两种蛋白的协同机制缺乏必要的了解。

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变形菌视紫红质(proteorhodopsin,pR)是一种近期发现的在海洋中广泛分布的光驱动质子泵单体蛋白,可以在可见光照射下实现定向跨膜泵出质子,产生瞬态光电流。北京航空航天大学相艳教授课题组利用含有变形菌视紫红质基因的质粒在大肠杆菌细胞膜进行表达,建立了一套变形菌视紫红质转化、蛋白提纯与脂类组装的标准方法。最近,该课题组利用磷脂组装变形菌视紫红质和氧化铝纳米通道材料(AAO)分别模拟离子泵蛋白和离子通道,成功构建了一种人工细胞膜电容器体系,解析质子泵蛋白与和纳米通道之间的相互关系与协同机制,提出纳米通道调节下的生物电容器理论模型(nanochannel-modulated bio-capacitor)。研究发现,通道孔径最佳范围在25~50 nm之间;适量的阳离子修饰可以明显提高光电流持续时间。在一定条件内,离子导通能力与光电流持续时间呈线性关系,展示出良好的电容特性。通过调节通道孔径和电荷修饰量,大大延长光电流的持续时间(最长可以达到5秒),并可以通过入射光频率的调控,将原始瞬态光电流转化为类似于方波的电流信号,从而对该种生物微能源的利用提供了更多的可能性。

该工作作为仿细胞膜电容特性的首例研究,是突破个体研究,考虑多单元协调机制的范例,将为自然界广泛存在的生物微小能源的开发利用提供新的研究思路。

该研究工作得到了国家科技部973计划、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才以及仿生能源材料与器件北京市重点实验室的经费资助。