阿卜杜拉國王科技大學Nat. Commun：通過氨基酸功能化的2D共價有機框架膜實現可切換的Na+/K+選擇性

【導讀】

生物細胞膜能夠實現高效和選擇性的離子傳輸，這在大多數生理過程中起著關鍵作用。例如，在神經信號轉導過程中，外部刺激觸發Na⁺的選擇性流入和K⁺的流出，導致膜電位反轉，從而促使神經脈沖傳輸。制造具有對外部不同刺激使對Na⁺/K⁺的選擇性可切換的人工膜對于從根本上理解生物離子通道中的離子傳輸機制和高效分離應用具有深遠的意義。然而，由于Na⁺和K⁺都是單價的，所以在人工膜中實現有效的Na⁺/K⁺選擇性仍然是一個艱巨的挑戰。

【成果掠影】

近日，阿卜杜拉國王科技大學賴志平教授報道了高度結晶的共價有機框架（COF）膜，具有明確定義的納米通道和氨基酸配位位點，這些位點充當離子選擇開關來操縱Na⁺和K⁺轉運。COF膜的離子選擇性是動態的，可以通過施加pH刺激使膜在K⁺/Na⁺選擇性之間切換。結合分子動力學模擬的實驗結果表明，可切換的Na⁺/K⁺選擇性源于離子和氨基酸之間的不同配位作用。受益于可切換的Na⁺/K⁺選擇性，進一步證明了通過改變電解質pH來切換膜電位，模擬了體內神經信號轉導過程中的膜極性反轉，這表明這些膜在體外仿生應用中具有巨大潛力。相關成果以“Switchable Na⁺ and K⁺ selectivity in an amino acid functionalized 2D covalent organic framework membrane”發表在Nature Communications上。

【核心創新點】

本研究展示了基于共價有機框架（COF）的可切換Na⁺/K⁺選擇性膜，在膜領域提供了一種新的可能。

【數據概況】

圖1：可切換的Na⁺/K⁺選擇性。

通過半胱氨酸功能化的COF膜實現可切換的Na⁺/K⁺選擇性。紅色和藍色球分別指K⁺和Na⁺。?2022 Springer Nature

圖2：COF-Cys膜的制備和表征。

a) COF-V-x膜的界面聚合和通過硫醇點擊化學反應快速合成COF-Cys-x膜。b) COF-Cys-60%膜的SEM圖像（比例尺，500?nm）。從掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）數據投影平面內衍射圖案：c) COF-V-X膜，d) COF-Cys-X膜在PAN載體上（X?=?30%、60%和80%）。低劑量運動校正高分辨率TEM（HRTEM）圖像：e) COF-V-60%膜（比例尺，50?nm），f) COF-Cys-60%膜（比例尺，50?nm）。?2022 Springer Nature

圖3：可切換離子選擇性。

a) 具有各種半胱氨酸負載量的COF-V-60%膜和COF-Cys膜的Na⁺/ K⁺選擇性。b) pH值對COF-Cys-60%膜Na⁺/ K⁺選擇性的影響。?2022 Springer Nature

圖4：離子傳輸的分子動力學模擬。

a) 各種pH條件下半胱氨酸功能化納米通道中離子傳輸機制的示意圖。b) 納米通道中半胱氨酸周圍Na⁺和K⁺的徑向分布函數（RDF）。半胱氨酸被Na⁺和K⁺包圍并形成離子殼。COF-Cys-COO^-膜周圍Na⁺和K的RDF：c)單離子體系;d) 二元離子系統。e) COF-Cys-COO^-膜中COO^-基團周圍Na⁺和K⁺的坐標數和能量。f) 二元離子體系中COF-Cys-COO^-膜xy平面中Na⁺的密度分布曲線（1 M NaCl + 1 M KCl）。g) 二元離子體系中COF-Cys-COO^-膜xy平面中K⁺的密度分布曲線（1 M NaCl + 1 M KCl）。h) 二元離子體系中通過COF-Cys-COO^-膜轉移的Na⁺和K⁺數量繪制為模擬時間的函數。?2022 Springer Nature

圖5：刺激下的膜電位開關。

a)顯示當受到刺激以實現信號傳輸時穿過神經元膜的Na ⁺/ K⁺轉運圖。b) 膜電位測量示意圖。c) 施加刺激時膜電位開關（pH）。?2022 Springer Nature

【成果啟示】

總之，本研究開發了一個基于共價有機框架（COFs）的強大平臺，以操縱Na⁺和K⁺轉運。一種氨基酸（即半胱氨酸）被錨定在通道壁上，用作離子選擇開關。半胱氨酸官能化的COF膜對pH敏感，允許通過改變溶液pH在單個膜中切換Na⁺/K⁺選擇性。具體而言，COF-Cys-60%膜在pH 3.8時顯示出1.7的Na⁺/K⁺選擇性，在pH 8.9時顯示出2.9的Na⁺/K⁺選擇性。結合實驗結果和分子動力學模擬表明，離子和納米通道之間的不同配位相互作用有助于在各種pH條件下切換Na⁺/K⁺選擇性。更重要的是，通過控制Na⁺的流入和K⁺的流出，膜極性可以在正負狀態之間切換，這模擬了體內神經信號轉導過程中膜電位的反轉。盡管目前具有可切換Na⁺/K⁺選擇性的COF膜不能以直接的生物類似物為特征，但它提供了對局部化學成分對離子傳輸的影響的進一步了解。研究結果也為開發智能膜提供了機會，用于包括刺激門控離子晶體管、納米流體電路以及精確的離子分離等潛在應用中。

參考文獻：Cao, L., Chen, IC., Li, Z. et al. Switchable Na⁺ and K⁺ selectivity in an amino acid functionalized 2D covalent organic framework membrane. Nat Commun 13, 7894 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35594-7

本文由春國供稿。