Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Zongyao Zhou e uma equipe de cientistas em engenharia química e ciências físicas e engenharia da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, na Arábia Saudita, desenvolveram uma membrana artificial de canal iônico controlado por luz usando polímeros microporosos conjugados. A equipe foi inspirada por canais iônicos controlados por luz em membranas celulares que desempenham um papel importante em muitas atividades biológicas para regular com precisão o tamanho e a espessura dos poros da membrana no nível molecular por meio de métodos de design e eletropolimerização de baixo para cima. O processo levou a um controle de luz reversível "ligado/desligado" para o transporte de íons através da membrana para fornecer íons de hidrogênio, potássio, sódio, lítio, cálcio, magnésio e alumínio.
Membranas fechadas por luz para transporte de íons

Canais iônicos controlados por luz podem regular o transporte de íons em células vivas para ajustar a excitabilidade elétrica, o influxo de cálcio e outros processos celulares cruciais. Atualmente, as canalrodopsinas são a primeira e única classe de canais iônicos controlados por luz identificados na biologia e têm recebido muita atenção nos últimos anos. O uso direto de rodopsinas dependentes de luz é limitado pela estabilidade química e física geralmente mínima das proteínas em ambientes externos. Os pesquisadores, portanto, realizaram extensos estudos para desenvolver canais iônicos artificiais controlados por luz para aplicações em neurobiologia, bioeletrônica e purificação de resíduos.

Canais iônicos controlados por luz artificial podem ser produzidos em laboratório modificando nanoporos com grupos funcionais responsivos à luz. Polímeros microporosos conjugados (CMPs) fornecem uma classe única de materiais orgânicos porosos, como mostrado em trabalhos anteriores. Neste trabalho, Zhou et al sintetizaram um monômero rígido flexível contendo azobenzeno de novo (azo-CMP) para alcançar a resposta de luz-dependente esperada. A equipe de microporos elementares, estruturalmente bem definidos, bloqueou a luz e os interligou para formar canais iônicos inteligentes na membrana azo-CMP. A configuração é mais adequada para facilitar os mecanismos de troca de fotos para obter com sucesso a fotoisomerização "on-off-on" para transporte de íons bem regulado.

Síntese e caracterização do monômero azo-CMP

O monômero azo-CMP manteve uma estrutura semelhante a uma asa de borboleta com azobenzeno como a dobradiça da asa comutável por luz e a cadeia alquila como um ligante macio para ligar a dobradiça e o andaime de carbazol eletroativo. A equipe projetou o comprimento do soft linker para aumentar a distância da rede e forneceu espaço suficiente para a fotoisomerização da fração azobenzeno, que eles analisaram por meio de simulações moleculares. Durante os experimentos, o monômero apresentou fotoisomerização rápida e reversível alterando o comprimento de onda de irradiação.

Desenvolvimento das membranas azo-CMP

Os cientistas desenvolveram as membranas azo-CMP por meio de eletropolimerização em uma célula eletroquímica de três cátodos. Eles otimizaram as condições de reação para membranas azo-CMP lisas e sem defeitos e observaram a estrutura química resultante por meio de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Os resultados confirmaram a polimerização dos carbazoles e a existência de unidades de azobenzeno nas membranas. A equipe modificou a hidrofilicidade da superfície e a aparência das membranas, modificando os parâmetros sintéticos para criar uma superfície de membrana resistente e não uniforme com muitas micro e nanoestruturas.

Fotoisomerização da membrana

A fotoisomerização pode levar a mudanças estruturais nas moléculas e mudanças geométricas nos canais iônicos. Tais mudanças estruturais podem levar a uma diferença de potencial de superfície das membranas azo-CMP, que Zhou et al observaram usando microscopia de força de sonda Kelvin em tempo real. A equipe registrou a mudança do potencial de superfície das transmembranas após a irradiação UV. A espectroscopia UV-Vis substancia ainda a isomerização das membranas para indicar a isomerização trans-cis-trans foto-responsiva rápida e estável de membranas azo-CMP. A equipe usou experimentos adicionais para mostrar mudanças no tamanho do canal das membranas nos estados trans e cis através de medições isotérmicas de adsorção de nitrogênio, seguidas de simulações de dinâmica molecular para revelar mudanças no tamanho do canal para permeabilidade iônica distinta e seletividade.

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Prova de conceito:transporte de íons das membranas controlado por luz

Os cientistas estudaram o desempenho de membranas de canais iônicos controlados por luz para o transporte de íons controlado usando testes de permeação iônica acionados eletricamente em uma célula de quartzo de laboratório com duas câmaras. Eles encheram as duas câmaras com concentrações semelhantes de solução salina e mediram o transporte de íons através das características de corrente-voltagem das membranas azo-CMP na forma trans e cis.

Eles observaram a dinâmica da condutância de corrente/íon da membrana no "estado ligado", bem como a diminuição da condutância na irradiação UV para indicar um estado de transporte de íons reduzido que poderia ser restaurado por irradiação com luz visível para regular o transporte de íons através das membranas de canais inteligentes . Os resultados destacaram o escopo das membranas de canais iônicos controlados por luz para aplicações farmacêuticas e diálise inteligente.

Perspectivas

Desta forma, Zongyao Zhou e seus colegas foram inspirados por channelrhodopsins naturais para criar membranas de canais iônicos artificiais reversíveis e recicláveis. Eles projetaram monômeros microporosos conjugados (CMP) contendo azobenzeno no nível molecular, introduzindo uma unidade central de azobenzeno comutável por luz, uma cadeia de alquila macia e carbazoles eletroativos rígidos. A química dos canais de membrana forneceu uma resposta de fotoisomerização trans-para-cis altamente eficaz para regular o transporte de íons de forma remota e dinâmica. O produto é significativamente importante para a indústria de separação, incluindo aplicações de memória molecular em nanoescala, liberação inteligente de drogas e quimiossensores fotorresponsivos. + Explorar mais

Um toque leve para a seletividade da membrana

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