阿卜杜拉国王科技大学Nat. Commun：通过氨基酸功能化的2D共价有机框架膜实现可切换的Na+/K+选择性

【导读】

生物细胞膜能够实现高效和选择性的离子传输，这在大多数生理过程中起着关键作用。例如，在神经信号转导过程中，外部刺激触发Na⁺的选择性流入和K⁺的流出，导致膜电位反转，从而促使神经脉冲传输。制造具有对外部不同刺激使对Na⁺/K⁺的选择性可切换的人工膜对于从根本上理解生物离子通道中的离子传输机制和高效分离应用具有深远的意义。然而，由于Na⁺和K⁺都是单价的，所以在人工膜中实现有效的Na⁺/K⁺选择性仍然是一个艰巨的挑战。

【成果掠影】

近日，阿卜杜拉国王科技大学赖志平教授报道了高度结晶的共价有机框架（COF）膜，具有明确定义的纳米通道和氨基酸配位位点，这些位点充当离子选择开关来操纵Na⁺和K⁺转运。COF膜的离子选择性是动态的，可以通过施加pH刺激使膜在K⁺/Na⁺选择性之间切换。结合分子动力学模拟的实验结果表明，可切换的Na⁺/K⁺选择性源于离子和氨基酸之间的不同配位作用。受益于可切换的Na⁺/K⁺选择性，进一步证明了通过改变电解质pH来切换膜电位，模拟了体内神经信号转导过程中的膜极性反转，这表明这些膜在体外仿生应用中具有巨大潜力。相关成果以“Switchable Na⁺ and K⁺ selectivity in an amino acid functionalized 2D covalent organic framework membrane”发表在Nature Communications上。

【核心创新点】

本研究展示了基于共价有机框架（COF）的可切换Na⁺/K⁺选择性膜，在膜领域提供了一种新的可能。

【数据概况】

图1：可切换的Na⁺/K⁺选择性。

通过半胱氨酸功能化的COF膜实现可切换的Na⁺/K⁺选择性。红色和蓝色球分别指K⁺和Na⁺。©2022 Springer Nature

图2：COF-Cys膜的制备和表征。

a) COF-V-x膜的界面聚合和通过硫醇点击化学反应快速合成COF-Cys-x膜。b) COF-Cys-60%膜的SEM图像（比例尺，500 nm）。从掠入射广角X射线散射（GIWAXS）数据投影平面内衍射图案：c) COF-V-X膜，d) COF-Cys-X膜在PAN载体上（X = 30%、60%和80%）。低剂量运动校正高分辨率TEM（HRTEM）图像：e) COF-V-60%膜（比例尺，50 nm），f) COF-Cys-60%膜（比例尺，50 nm）。©2022 Springer Nature

图3：可切换离子选择性。

a) 具有各种半胱氨酸负载量的COF-V-60%膜和COF-Cys膜的Na⁺/ K⁺选择性。b) pH值对COF-Cys-60%膜Na⁺/ K⁺选择性的影响。©2022 Springer Nature

图4：离子传输的分子动力学模拟。

a) 各种pH条件下半胱氨酸功能化纳米通道中离子传输机制的示意图。b) 纳米通道中半胱氨酸周围Na⁺和K⁺的径向分布函数（RDF）。半胱氨酸被Na⁺和K⁺包围并形成离子壳。COF-Cys-COO^-膜周围Na⁺和K的RDF：c)单离子体系;d) 二元离子系统。e) COF-Cys-COO^-膜中COO^-基团周围Na⁺和K⁺的坐标数和能量。f) 二元离子体系中COF-Cys-COO^-膜xy平面中Na⁺的密度分布曲线（1 M NaCl + 1 M KCl）。g) 二元离子体系中COF-Cys-COO^-膜xy平面中K⁺的密度分布曲线（1 M NaCl + 1 M KCl）。h) 二元离子体系中通过COF-Cys-COO^-膜转移的Na⁺和K⁺数量绘制为模拟时间的函数。©2022 Springer Nature

图5：刺激下的膜电位开关。

a)显示当受到刺激以实现信号传输时穿过神经元膜的Na ⁺/ K⁺转运图。b) 膜电位测量示意图。c) 施加刺激时膜电位开关（pH）。©2022 Springer Nature

【成果启示】

总之，本研究开发了一个基于共价有机框架（COFs）的强大平台，以操纵Na⁺和K⁺转运。一种氨基酸（即半胱氨酸）被锚定在通道壁上，用作离子选择开关。半胱氨酸官能化的COF膜对pH敏感，允许通过改变溶液pH在单个膜中切换Na⁺/K⁺选择性。具体而言，COF-Cys-60%膜在pH 3.8时显示出1.7的Na⁺/K⁺选择性，在pH 8.9时显示出2.9的Na⁺/K⁺选择性。结合实验结果和分子动力学模拟表明，离子和纳米通道之间的不同配位相互作用有助于在各种pH条件下切换Na⁺/K⁺选择性。更重要的是，通过控制Na⁺的流入和K⁺的流出，膜极性可以在正负状态之间切换，这模拟了体内神经信号转导过程中膜电位的反转。尽管目前具有可切换Na⁺/K⁺选择性的COF膜不能以直接的生物类似物为特征，但它提供了对局部化学成分对离子传输的影响的进一步了解。研究结果也为开发智能膜提供了机会，用于包括刺激门控离子晶体管、纳米流体电路以及精确的离子分离等潜在应用中。

参考文献：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

本文由春国供稿。