北航高龙成课题组 JACS：超灵敏的仿生机械力响应的氯离子通道

2023-08-23 来源：高分子科技

机械力敏感离子通道（MS channel）在诸多生命活动如触觉、运动感知、听觉、渗透压调节等方面起着至关重要的作用。Ardem Patapoutian因揭示了MS channel工作机制分享了2021年的诺贝尔生理学或医学奖。当外力作用于细胞膜时，膜的张力变化引起通道蛋白开口变大，从而引起电流的显著增大。研究发现，对小鼠压力蛋白施加26 mbar的压力可产生5 pA的响应电流（A. Patapoutian, et al. Nature 2012, 483, 176）。受生物通道结构和工作机制启发，人工构建仿生机械力敏感离子通道可以加深对生命活动的理解，有助于开发新型智能材料。目前，在仿生机械力敏感离子通道人工制备方面，大部分材料属于刚性材质，形变能力有限，需要施加较大作用力才能引起微弱的电化学信号响应，尚未有低模量、高形变并超灵敏仿生离子通道的报道。

为了解决这一难题，高龙成课题组在前期仿生离子通道阵列膜的基础之上（Sci. Adv. 2021, 7, eabg2183；J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 9472），开发了一种弹性离子通道薄膜，在压力或拉伸作用下发生弹性形变，引起离子流的突变。在0.2 mbar作用力下产生了2 μA的响应电流，极大提高了人工MS 通道的灵敏度（图1）。该工作以“Ultra-Mechanosensitive Chloride Ion Transport Through Bioinspired High-Density Elastomeric Nanochannels”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

图1. 高密度机械响应的氯离子通道膜的响应机制

具体研究思路是：利用含弹性段和离子段的嵌段共聚物——聚异戊二烯-b-聚4-乙烯吡啶（PI-b-P4VP）自组装形成高密度离子传输通道膜。其中，PI段作为连续相，发挥力学传导作用；P4VP段形成跨膜通道，发挥了氯离子选择性传输的作用。因PI连续相的模量很小，在小外力下产生大形变，无论施加压力还是拉力，均会引起明显的膜形变，随之传导到P4VP通道上，引起通道的形变，继而引起电化学信号的变化（图2所示）。同时，离子通道具有高密度的特点（面密度高达10¹⁰ cm^-2），对响应电流有放大效应。相比其他人工MS channel来说，本工作特色在于首次复现了天然MS channel的力学响应过程：外力刺激引起膜张力变化，诱发离子通道的变形，继而引起电流信号的突变。仿生薄膜不仅具有优异的氯离子选择性，而且能够在更小的外力刺激下产生更大的响应电流。本工作的开展将为理解、研究生物MS channel提供理想模型，同时为智能纳米离子器件的设计提供了灵感。

图2. 机械力响应的氯离子通道在压力和拉力下的电化学响应信号

北京航空航天大学化学学院博士生李超、刘鹏祥为第一作者，高龙成为通讯作者，北京航空航天大学化学学院为第一单位。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c07675

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（责任编辑：xu）

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