Onderzoekers bootsen celmembranen na om ionentransport af te stemmen in kunstmatige waterfilters

In elke levende cel zijn er membranen, en in elk membraan zijn er eiwitten, die elk werken als een chemische poortwachter.

In plaats van ionen passief in en uit de cel te laten passeren, gooien deze biochemische uitsmijsten de deur wijd of sluiten deze indien nodig. Ze laten meer levensonderhoudende materialen zoals kalium of natrium door de biologische ionkanalen van de cellen wanneer de cel ze nodig heeft, maar sluiten de stroom af voordat de chemische concentratie te hoog wordt.

“Het zal de technologie enorm bevorderen als we iontransport in biologische systemen kunnen begrijpen en het creatief kunnen manipuleren in kunstmatige,” zei Uchicago Pritzker School of Molecular Engineering (Uchicago PME) Asst. Prof. Chong Liu.

Het is een proces dat biologen hebben bestudeerd en ingenieurs hebben al jaren jaloers. Het vermogen om membranen af te stemmen om soms meer materiaal in te laten en op andere momenten buiten te houden, kan een revolutie teweegbrengen in hoe mensen water veilig maken om te drinken en schadelijke – of waardevolle – chemicaliën uit oceanen, meren en rivieren te verwijderen.

“Natuurlijk wordt het interessant om te zien of je kunstmatige systemen kunt bouwen die op de een of andere manier die biologische eigenschappen zouden nabootsen,” zei Prof. George Schatz van Northwestern University Chemie.

De Uchicago PME en Noordwestelijke teams staan achter Een nieuw papier in Natuurcommunicatie dat beide dit mysterie hebben opgelost en nieuwe inzichten onthulden in hoe Ion Transport werkt.

Door verschillende hoeveelheden lood-, kobalt- of bariumionen toe te voegen, ontdekte het team dat het de hoeveelheid kalium door een kunstmatig membraan enorm kon verhogen of beperken, waardoor de capaciteiten van cellen nadenkt om hun eigen biologische membranen te denken. Een van de meer opmerkelijke bevindingen van het team was dat slechts een toename van 1% in de aanwezigheid van loodionen de hoeveelheid kalium door de kanalen verdubbelde.

“Het meest opwindende deel van ons onderzoek is dat we laten zien hoe dramatisch ionentransport in 2D-kanalen op Angstrom-schaal kan worden veranderd in aanwezigheid van andere ionen, zelfs door een kleine fractie,” zei co-eerste auteur Mingzhan Wang, die een postdoctoraal onderzoeker was in Liu’s Uchicago PME Lab bij het tijdstip van het onderzoek, nu een onderzoeksassistent hongkong.

Naast toepassingen zoals waterzuivering en materiaalextractie, vertegenwoordigt het onderzoek een vooruitgang in pure wetenschap, waardoor natuurkundigen en biologen helpen beter te begrijpen waarom ionen en cellen zich gedragen zoals ze dat doen.

De deur openen

Iontransportkanalen zijn precies hoe ze klinken – tunnels voor ionen.

In cellen lopen deze tunnels op nanoschaal door de celmembranen; in apparaten, via plastic filters of andere membranen. Positief opgeladen kalium ploffen langzaam door de negatief geladen tunnel die in de huidige studie wordt gebruikt, terwijl negatief geladen chloride (ionen die het elementchloor bevatten) zip voorbij.

Wang en Liu bedachten het project en verbinden zich met Schatz via het door Argonne geleide geavanceerde materialen voor Energy-Water Systems (AMEWS). Het mechanisme erachter was niet duidelijk totdat co-first auteur Qinsi Xiong, een onderzoeksmedewerker in Schatz’s theoretische groep, een geheel nieuw model vanaf de grond op bouwde, in de woorden van Schatz, “helemaal opnieuw”.

“We hebben een niet-evenwichtsmoleculaire dynamieksimulatie ontworpen om een door ion geïnduceerde dipoolinteractie op te nemen en iontransport door dit 2D-nanochannel te simuleren,” zei ze. “Onze resultaten kwamen goed in overeenstemming met de experimenten, wat suggereert dat de fysica die we hebben opgenomen op de goede weg waren.”

Ionen hebben een positieve of negatieve lading, wat betekent dat alle geladen atomen of moleculen in de ionkanaalwanden de reizigers duwen of trekken.

Maar wanneer loodionen worden toegevoegd, binden die ionen aan acetaatgroepen in de tunnelwanden. De positief geladen loodionen trekken het negatief geladen chloride aan, niet genoeg om de chloriden te stoppen, ze vertragen ze gewoon tot de snelheid van de kaliumionen.

Zodra de chloriden en kaliumionen met dezelfde snelheid door de tunnel bewegen, vormen ze kaliumchlorideparen, die neutraal zijn, zodat ze ongehinderd door het kanaal stromen, waardoor de hoeveelheid kalium door het membraan wordt verhoogd.

“Er is niets geladen waarmee het wil communiceren, en dat maakt het zo dat het nieuwe molecuul sneller kan doorlopen dan zou optreden als de twee ionen gewoon afzonderlijk door het kanaal stroomden,” zei Schatz.

En het sluiten

Naast dit coöperatieve effect ontdekte het team ook een remmend effect, wat betekent een manier om kalium te beperken in plaats van te verbeteren die door de kanalen stroomt.

Toen ze kleine hoeveelheden kobalt- of bariumionen toevoegden, concurreerden die metalen ionen met loodionen voor vlekken waar ze zich konden binden aan de acetaatgroepen in de tunnelwanden. Dit beperkt de effecten van het lood op deze ionen, en tegelijkertijd is er een verminderde vorming van neutrale ionenparen die het transport kunnen verbeteren.

“Door de combinatie van ionenoorten te veranderen, konden we overstappen van een coöperatief effect naar een remmend effect,” zei Xiong. “Nogmaals, het begrijpen van de onderliggende natuurkunde is essentieel.”

De volgende stappen in het onderzoek omvatten het zien van andere materialen dan lood kunnen dit effect genereren, en of het kan worden uitgebreid om de andere elementenstroom dan kalium te regelen. Eén doelwit zou lithium zijn, gewaardeerd voor het gebruik ervan in batterijen, maar momenteel geoogst uit water door middel van milieubeschadigende methoden.

“Multivalent-ion effectstudies blijven grotendeels verborgen in het stijgende gebied van nanofluidics,” zei Wang. “Zeker, onze protocollen kunnen worden uitgebreid tot andere nanofluïdische systemen en vanaf daar kan meer worden verwacht in de toekomst.”