Beispiellose künstliche Kaliumkanäle ahmen die von Zitteraalen besser nach

Biologische Kaliumionenkanäle ermöglichen die selektive Permeation von größerem K+ (Ionenradius von 1,3 Å) gegenüber kleinerem Na+ (1,0 Å) mit einem Selektivitätsverhältnis von mehr als dem 1.000-fachen. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, diese Wunder in künstlichen Systemen nachzuahmen, sind jedoch bei weitem nicht in der Lage, die hervorragende Ionenunterscheidung natürlicher Proteinkanäle zu erreichen. Typischerweise beträgt das K+/Na+-Selektivitätsverhältnis vorhandener künstlicher Kaliumkanäle weniger als das 40-fache.

Durch die erneute Untersuchung der Atomstruktur des 12 Å langen vierfach symmetrischen röhrenförmigen Selektivitätsfilters biologischer KcsA-Kaliumkanäle haben Forscher herausgefunden, dass die außergewöhnliche K+/Na+-Selektivität von vier periodischen Schichten von Carbonylringen herrührt, die als Kaliumionenbindungsstellen fungieren . Bemerkenswert ist, dass die beiden benachbarten Carbonylringe nicht streng überlappen. Stattdessen kommt es aufgrund der Diederwinkel der Aminosäuren zu einer Drehung von fast 27 Grad.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.

Das lange übersehene Strukturmerkmal der rotierenden Carbonylringe untermauert die ultrahohe K+/Na+-Selektivität, wurde jedoch nie zum Aufbau künstlicher Kaliumkanäle genutzt.

Nach diesem Designprinzip erzeugen die Forscher Poren im Angström-Maßstab in zweischichtigen Graphenschichten und dekorieren die beiden Porenränder mit verdrillten Ringen aus Carbonylgruppen. Der künstliche Ionenkanal kann den Transport von unerwünschtem Na+ mit einem dynamischen K+/Na+-Selektivitätsverhältnis bis zum 1.295-fachen strikt hemmen. Die K+-Leitungsrate nähert sich 3,5×107 Ionen/s, was fast 40 % der biologischen Kaliumionenkanäle entspricht.

Atomare Trajektorien von K+-Permeationsereignissen offenbaren einen Doppelionentransportmechanismus, das heißt, jede erfolgreiche K+-Permeation sollte mindestens zwei Kaliumionen umfassen.

Die Freisetzung eines K+ aus dem Ausgang der zweischichtigen Nanopore erfolgt über einen sanften Klopfmechanismus eines anderen K+ am Eingang, der bisher ausschließlich in biologischen Ionenkanälen gefunden wurde. Das synergetische Verhalten wird dadurch begünstigt, dass ein oder zwei Hydratwassermoleküle zwischen den Graphenschichten sogenannte K-Moleküle bilden.NH2O-K-Tripletts.

Über den Einblick in die Funktionsprinzipien biologischer Systeme hinaus ermöglichen hoch kaliumselektive künstliche Ionenkanäle neue Anwendungen, die in der Natur nicht zu finden sind. Als Proof-of-Concept-Demonstration schlagen die Forscher einen neuartigen Weg zur Gewinnung von Ionenenergie vor, indem Elektrolytlösungen gleicher Konzentration durch die zweischichtigen Angström-Poren gemischt werden. Theoretisch erreicht das biomimetische Gerät eine sehr hohe Leistungsdichte von über 1.200 W/m2 mit Graphenschichten von lediglich weniger als 1 % Porosität.

Bemerkenswert ist, dass die durch Kaliumpermselektivität ermöglichte osmotische Stromerzeugung (PoPee-OPG) die Methoden der Energieumwandlung durch die Elektrozytenzellen von Zitteraalen besser nachahmt. Erstens könnte PoPee-OPG mit Lösungen gleicher Gesamtionenstärke arbeiten. Dies steht im Gegensatz zu den unverzichtbaren verdünnten Lösungen, die bei der Stromerzeugung mit Salzgehaltsgradienten (SGPG) verwendet werden und deren Leistung einschränken.

Zweitens ist es erwähnenswert, dass es in der Körperflüssigkeit von Zitteraalen aufgrund des Gleichgewichts des osmotischen Drucks über die Zellmembran tatsächlich keinen erkennbaren Anteil in geringer Konzentration gibt. Die deutliche Verbesserung von PoPee-OPG entspricht einer weitgehenden Reduzierung des Innenwiderstands einer ionischen Stromquelle und ermöglicht so eine hohe Ausgangsleistung. Unter diesem Gesichtspunkt wertet PoPee-OPG die Zitteraal-mimetische Energieumwandlung auf.

Die einzigartige Porenstruktur und die Arbeitsprinzipien, die in diesem Artikel vorgestellt werden, sind zwar zum jetzigen Zeitpunkt noch theoretisch, könnten aber die Herstellung hochselektiver Membranen beispielsweise aus gestapelten Materialien auf Graphenbasis oder zweischichtigen kovalent-organischen Gerüstkomponenten leiten. Insgesamt bringt das biomimetische Design die außergewöhnlichen Fähigkeiten natürlicher Proteine ​​in von Menschen entwickelte Geräte ein und bietet eine Blaupause für vielseitige Anwendungen zur Wasserreinigung, chemischen Trennung, Ionenbatterien usw.