Исследователи имитируют клеточные мембраны для управления ионным транспортом в искусственных водных фильтрах
Мембраны живых клеток содержат белки-«привратники», которые активно регулируют прохождение ионов, открывая или закрывая биологические ионные каналы по мере необходимости клетки.
Команды из UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) и Северо-Западного университета в исследовании, опубликованном в Nature Communications, раскрыли механизмы, позволяющие искусственным системам имитировать эти биологические свойства. Это может революционизировать очистку воды и извлечение материалов.
Ключевое открытие: добавление всего 1% ионов свинца удваивает количество калия, проходящего через искусственную мембрану с ангстремными 2D-каналами.
«Самая захватывающая часть нашего исследования — мы показываем, насколько драматично ионный транспорт в ангстремных 2D-каналах может быть изменен в присутствии других ионов, даже их крошечной долей», — Минчжань Ван, соавтор исследования.
Механизм «открытия двери»
Ионы свинца связываются с ацетатными группами в стенках канала. Положительно заряженные ионы свинца замедляют отрицательно заряженные хлорид-ионы до скорости ионов калия. Двигаясь с одинаковой скоростью, они образуют нейтральные пары KCl, которые беспрепятственно протекают через канал, увеличивая общий поток калия.
Моделирование методом молекулярной динамики, разработанное Цинси Сюн, подтвердило этот механизм.
Эффект «закрытия двери»
Добавление небольших количеств ионов кобальта или бария создает ингибирующий эффект. Эти ионы конкурируют со свинцом за места связывания в стенках канала. Это ограничивает влияние свинца и уменьшает образование нейтральных пар, усиливающих транспорт.
«Изменяя комбинацию видов ионов, мы смогли переключиться с кооперативного эффекта на ингибирующий», — Цинси Сюн.
Перспективы
Исследование открывает путь к созданию умных мембран для очистки воды и селективного извлечения ценных элементов, например, лития для аккумуляторов, более экологичными методами. Следующие шаги — поиск других материалов, кроме свинца, и расширение метода на другие элементы.