作者:温才妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/3 19:34:46
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人工钾离子通道模仿电鳗放电

 

由北京航空航天大学教授郭维和清华大学教授卢滇楠联合的国际研究团队,通过挖掘生物钾离子通道选择性滤器的精细结构,揭示出一个长期被忽视的特征,即生物孔道是利用具有空间螺旋结构的结合位点来实现特异性离子识别。相关研究成果日前发表于《国家科学评论》。

细胞膜上的钾离子通道有一种神奇的特性,它允许尺寸较大的钾离子以近扩散极限的速率传输,却能严格阻止尺寸较小的钠离子透过,显示出完美的K+/Na+选择性,选择比超1000:1。这一特性是细胞信号传导与能量转换的基础。长久以来,科学家一直在试图寻找方法,在人工合成的材料体系中实现这种能力,但与生物孔道的特异性离子识别还有非常大距离。

研究人员发现一种新的双离子传输机制,即每一次成功的钾离子传输,都需要有两个钾离子参与,通过此前仅在生物孔道中发现的软敲击模式来实现。更为有趣的是,两个同样是带正电荷的钾离子通过石墨烯层间一分子水的介导,被拉近到仅有3.9埃的距离,形成相互吸引的作用势。类比电子超导的BCS理论,这预示了蕴含“钾-水-钾”结构的受限离子流体有望成为一种室温下的超离子导体。

电鳗是一种具有强生物电能力的淡水生物,能在瞬时产生约600伏特的电冲击攻击猎物,素有水中高压线之称。据文章的第一作者、海南大学博士李继鹏介绍,电鳗的放电原理是利用无机盐离子的选择性扩散,通过钠离子和钾离子两种组份的不同配比,形成细胞外高钠离子浓度,低钾离子浓度;细胞内高钾离子浓度,低钠离子浓度的溶液环境,再通过钠离子通道或钾离子通道,进行膜两侧高浓度下的渗透能转换。

研究人员通过混合等浓度氯化钾和氯化钠溶液来模仿电鳗放电的原理,单个转角双层石墨烯埃孔产生的电功率虽然仅有0.2皮瓦 (1皮瓦=10-12瓦特),但由于孔道尺寸仅有几个埃,可以轻易实现1016每平方米的超高数密度,而此时的孔隙率还不到1%,体系受浓度极化的影响很小,有望实现千瓦量级的功率密度。

《国家科学评论》在后续发表的亮点评论中指出,该项研究填补了仿生材料领域一项空白,研究人员用最简单的模型,揭示了生命体系中具有手性螺旋结构的离子结合位点,是如何在实现离子特异性识别的功能上起到核心作用的。同时,该项研究工作首次提出了下一代基于钠-钾选择性的渗透能转换的理论框架。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwad260

 
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