Учёные создали искусственные мембраны, имитирующие клеточные, для контроля транспорта ионов

Исследование взаимодействия ионов в искусственных 2D-каналах. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61307-x

В каждой живой клетке есть мембраны, а в каждой мембране — белки, которые действуют как химические «привратники». Вместо того чтобы пассивно пропускать ионы внутрь и наружу клетки, эти биохимические «вышибалы» либо широко открывают «дверь», либо плотно её закрывают. Они пропускают больше жизненно важных веществ, таких как калий или натрий, когда клетка в них нуждается, но прекращают поток, прежде чем концентрация химических веществ станет слишком высокой.

«Технологии значительно продвинутся вперёд, если мы сможем понять транспорт ионов в биологических системах и научимся управлять им в искусственных», — сказал доцент Чонг Лю из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME).

Этот процесс биологи изучали, а инженеры ему завидовали годами. Возможность настраивать мембраны так, чтобы они иногда пропускали больше материала, а иногда блокировали его, могла бы революционизировать способы очистки воды и извлечения вредных или ценных химических веществ из океанов, озёр и рек.

«Естественно, возникает интерес: можно ли создать искусственные системы, которые так или иначе имитировали бы эти биологические свойства», — отметил профессор химии Северо-Западного университета Джордж Шац.

Команды UChicago PME и Северо-Западного университета опубликовали новую статью в журнале Nature Communications, которая не только разгадала эту загадку, но и раскрыла новые аспекты работы транспорта ионов.

Добавляя различные количества ионов свинца, кобальта или бария, команда обнаружила, что может значительно увеличить или ограничить количество калия, проходящего через искусственную мембрану, имитируя способность клеток контролировать свои биологические мембраны. Одним из самых удивительных открытий стало то, что увеличение присутствия ионов свинца всего на 1% удвоило количество калия, проходящего через каналы.

«Самая захватывающая часть нашего исследования — мы показали, насколько резко может измениться транспорт ионов в ангстрем-масштабных 2D-каналах в присутствии других ионов, даже в крошечной концентрации», — сказал соавтор исследования Минчжань Ван, бывший постдокторант лаборатории Лю в UChicago PME, а ныне доцент Городского университета Гонконга.

Исследователи под руководством Чонга Лю из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета и Джорджа Шаца из Северо-Западного университета разработали настраиваемую систему, которая избирательно контролирует химический транспорт на атомном уровне, имитируя способность клеток регулировать свои биологические мембраны. Автор: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich

Открытие «двери»

Ионные транспортные каналы — это именно то, что следует из названия: туннели для ионов. В клетках эти наноразмерные туннели проходят через клеточные мембраны; в устройствах — через пластиковые фильтры или другие мембраны. Положительно заряженный калий медленно движется через отрицательно заряженный туннель, использованный в данном исследовании, в то время как отрицательно заряженный хлорид (ионы хлора) проносятся мимо.

Ван и Лю разработали проект, сотрудничая с Шацем через Центр передовых материалов для энергетических и водных систем (AMEWS) при Аргоннской национальной лаборатории. Механизм оставался неясным до тех пор, пока соавтор исследования Циньси Сюн, научный сотрудник теоретической группы Шаца, не построила новую модель, как выразился Шац, «с нуля».

«Мы разработали неравновесную молекулярную динамическую симуляцию, включив в неё взаимодействие ион-индуцированного диполя, и смоделировали транспорт ионов через этот 2D-нанотруб», — объяснила Сюн. «Наши результаты хорошо совпали с экспериментальными данными, что говорит о правильности заложенной физики».

Ионы имеют либо положительный, либо отрицательный заряд, что означает, что любые заряженные атомы или молекулы в стенках ионного канала либо притягивают, либо отталкивают проходящие частицы.

Но когда добавляются ионы свинца, они связываются с ацетатными группами в стенках туннеля. Положительно заряженные ионы свинца притягивают отрицательно заряженные хлориды, не останавливая их полностью, а лишь замедляя до скорости ионов калия. Как только хлориды и ионы калия начинают двигаться через туннель с одинаковой скоростью, они образуют пары хлорида калия, которые нейтральны и потому беспрепятственно проходят через канал, увеличивая количество калия, проникающего через мембрану.

«Нет ничего заряженного, с чем могло бы взаимодействовать новое соединение, и это позволяет молекуле проходить быстрее, чем если бы два иона двигались по каналу по отдельности», — пояснил Шац.

И закрытие

Помимо кооперативного эффекта, команда также обнаружила ингибирующий эффект — способ ограничить поток калия через каналы. Когда они добавляли небольшие количества ионов кобальта или бария, эти металлические ионы конкурировали с ионами свинца за места связывания с ацетатными группами в стенках туннеля. Это ограничивало влияние свинца и одновременно снижало образование нейтральных ионных пар, которые усиливают транспорт.

«Изменяя комбинацию ионов, мы смогли переключиться с кооперативного эффекта на ингибирующий», — сказала Сюн. «И снова понимание базовой физики оказалось ключевым».

Следующие шаги исследования включают поиск других материалов, помимо свинца, которые могут вызывать этот эффект, а также возможность его применения для контроля потока элементов, отличных от калия. Одной из целей является литий, ценный для использования в аккумуляторах, но добываемый из воды экологически вредными методами.

«Исследования эффектов многозарядных ионов остаются малоизученными в развивающейся области нанофлюидики», — отметил Ван. «Безусловно, наши методы могут быть расширены на другие нанофлюидные системы, и в будущем нас ждёт ещё больше открытий».

Дополнительная информация: Mingzhan Wang et al, Cooperative and inhibitory ion transport in functionalized angstrom-scale two-dimensional channels, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61307-x

Источник: University of Chicago