Advanced Materials:设计智能纳流体系用于仿生离子通道和离子泵:从单孔平台到多通道薄膜

生命体内存在着各种各样的由蛋白质组成的离子通道和离子泵,它们镶嵌在细胞膜的磷脂双分子层上,提供了可供分子离子传输的纳米级路径。离子通道能够实现“下坡”的离子运输功能,而离子泵能够实现“上坡”的离子运输功能,他们均是活体细胞进行新陈代谢活动的基础,与多种生命过程密切相关,比如神经兴奋的传导,感受器电位的发生,骨骼肌的收缩,心脏的搏动,平滑肌的蠕动,激素的分泌与绿色植物的光合作用等。一个比较典型的例子是电鳗鱼,其发电器官中存在着上千对串联在一起的离子通道与离子泵回路,离子通道与离子泵之间的协同作用使其能够充分地利用细胞间隙的盐差能,产生瞬时的高达600伏特的电压,因此它素有“水中高压线”“淡水之王”之称。鉴于细胞膜离子通道和离子泵的重要作用,发展具有更强适用性的仿生体系至关重要。

受生命体蛋白质离子通道和离子泵启发,中国科学院理化技术研究所江雷院士,闻利平研究员以及张振博士等人提出了人造离子通道与离子泵的通用设计策略,所制备的仿生离子通道和离子泵体系在单分子分析,智能传质以及能源转换领域有着很大的应用前景,相关结果发表在 Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201904351),并被选为当期inside cover。

仿生离子通道和离子泵可以分为两大类:磷脂膜纳米孔和固态纳米孔。磷脂膜纳米孔是嵌入在脂质体或支撑的磷脂双分子层上的长度在1到5纳米的中空圆柱孔。蛋白质,多肽,合成分子,以及DNA都可以用来构筑磷脂膜纳米孔。磷脂膜纳米孔与生命体纳米孔高度近似,因此有着比较好的生物相容性,能够进行胞内应用,但是它们的功能比较依赖于所依附的磷脂分子层,该磷脂支撑层强度较低并且构筑难度大,因此限制了磷脂膜纳米孔的实际应用。与之相比,固态纳米孔有着更好的稳定性,机械强度,以及可操作性,在近年来取得了越来越多的关注。仿生离子泵和离子通道可以通过在孔径形状高度可控的单纳米通道内表面修饰功能性分子来构筑,对于离子通道,通道的形状可以是锥形,而对于离子泵,由于其特殊的双门控机制,通道的形状可以是雪茄型。但是锥形纳米孔和雪茄型纳米孔的门控区域较短,导致了较低的功能性以及稳定性,因此可以通过延长其关键功能区来实现对离子传输高度有效的控制。最近几年,固态纳米孔的研究正逐渐从单孔平台向多通道薄膜过渡,具体地,多通道仿生离子通道和离子泵可以通过复合具有不同维度通道,不同功能性基团的多孔膜来构筑。仿生离子通道和离子泵体系在单分子分析,智能传质以及能源转换领域有着很大的应用前景,研究潜力无限,在不久的将来,类电鳗的离子通道离子泵一体化体系能够成为可能,并且在将来改变人们的生活。