Nat. Commun.：氨基酸功能化 2D COF膜中的可调控 Na+ / K+ 选择性

导读

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授团队受生物细胞膜可以有效地切换Na+/K+选择性的启发，成功制备了具有规整纳米通道和离子结合位点(即氨基酸)的高结晶共价有机框架(COF)膜，可作为离子选择开关调控Na+和K+的运输。实验结果与分子动力学模拟表明离子与氨基酸之间的配位作用具有选择性。作者进一步通过改变pH值模拟了神经信号传导过程中的膜极性反转，表明这些膜在体外仿生应用中的巨大潜力。相关成果发表在Nature 子刊Nat. Commun.上。

正文

生物细胞膜可实现快速且选择性高的离子传输，这在大多数生理过程中起着关键作用。制造具有类似功能（即对外部刺激具有响应性和高Na+ / K+选择性）的人造膜有助于从根本上理解生物离子通道中的离子传输机制，进而推动在分离等领域的应用。然而，由于Na+ 和 K+都是一价的，因此在人造膜中实现高效的Na+ / K+选择分离仍然是一个艰巨的挑战。

由二维层状材料和聚合物制备的传统纳米多孔膜由于其孔道尺寸分布宽，通常表现出较差的离子选择性。金属有机框架（MOFs）和多孔有机笼具有规整的孔道结构，但一价阳离子与孔道之间的相互作用较弱，选择性较差。大环分子，如冠醚等，可以结合特定的一价阳离子，从而产生显著的阳离子选择性。然而，这些材料没有响应性，并且Na+ / K+选择性无法调节。最近，共价有机骨架（COFs）膜得益于其明确的结构、合适的孔径和易于功能化等优势，在离子筛分中显示出巨大的潜力。然而，由于一价阳离子与COFs膜的相互作用不可控，Na+ / K+选择性可调节的COFs膜未被成功制备。

图1. 通过半胱氨酸功能化的COF膜实现可调节的Na+ / K+选择性。(图片来源：Nat. Commun.)

氨基酸是蛋白质通道中的基本构建单元，可以通过与目标离子的特异性结合和可逆配位有效地识别和引导离子转运。近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授团队制备了具有纳米级（＜ 3 nm）孔道结构的COFs膜，并通过快速硫醇-烯点击反应有效地在孔壁内接枝了氨基酸（例如半胱氨酸），成功制备了半胱氨酸功能化的COF膜（COF-Cys）。半胱氨酸作为离子选择性开关，对pH值具有响应功能，从而使这些COF-Cys膜具有pH响应性，并且可以通过施加pH刺激调节Na+ / K+选择性（图1）。

图 2. （a）COF-V-x膜的结构和通过硫醇-烯点击反应快速合成COF-Cys-x;（b） COF-Cys-60%膜的SEM图像；（c）COF-V-x膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图；（d） COF-Cys-x膜的GIWAXS 图；（e）COF-V-60%膜的高分辨率透射电镜（HR-TEM）图像；（f） COF-Cys-60%膜的HR-TEM图像。(图片来源：Nat. Commun.)

作者采用共聚策略将乙烯基引入COF（COF-V），然后通过快速的硫醇-烯点击反应进一步产生半胱氨酸官能化的COFs（COF-Cys）（图2a）。最初的COF-V膜是在聚丙烯腈（PAN）载体上通过典型的界面缩合反应制备的。所得膜表示为COF-V-x（x = 30%，60%和80%），其中x表示含乙烯基的醛基单体在醛基单体总量中的摩尔百分比。以COF-V-60%膜为例，对膜进行了基本的表征。扫描电子显微镜（SEM，图2b）显示制备的COF-V-60%膜均匀，完整且无明显缺陷。膜的厚度可以通过改变单体浓度调节。膜的化学结构通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、固态13C 核磁共振 （13C NMR）和X-射线光电子能谱（XPS）进行了证实。对于所有COF-V-x膜，掠入射广角X-射线散射（GIWAXS）图表明晶体在膜中随机取向（图2c）。GIWAXS图案的反射对应于100、110、200、210和220晶面，且与粉末样品的粉末X-射线衍射（PXRD）图非常吻合，表明合成的COF-V-x膜具有高结晶度（图2c）。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）进一步展示了膜具有规整的孔结构（图2e）。

鉴于生物离子通道中氨基酸和离子之间的可逆配位，在此，利用高效的点击反应将半胱氨酸锚定在孔道壁上。半胱氨酸的成功接枝被FT-IR、13C NMR和XPS证实。如图2d所示，得到的COF-Cys-x具有与COF-V-x膜相同的GIWAXS图案，表明COF-Cys-x膜的晶格结构不受孔道壁上半胱氨酸的影响，仍然保持高结晶度和有序的通道结构。HR-TEM图像进一步表明COF-Cys-60%膜在修饰后保持有序的通道结构（图2f）。

图3. （a）COF-V-60%膜和各种半胱氨酸负载量的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。(图片来源：Nat. Commun.)

使用浓度驱动的扩散测试研究了通过COFs膜的离子传输行为。首先使用单一盐溶液（包括0.1 M NaCl或0.1 M KCl）测量离子扩散通量，计算的理想的K+/Na+选择性为1.8（图3a）。COF-Cys-30%膜的理想K+/Na+选择性为1.4， 略小于COF-V-60%膜，选择性的降低表明COF纳米通道中的半胱氨酸分子有利于Na+的转运。由于只有少部分（30%）的纳米通道被半胱氨酸功能化，COF-Cys-30%膜的整体离子选择性受COF-V-60%膜中原始纳米通道的性质控制。如果半胱氨酸可以优先促进Na+转运，则当更多的半胱氨酸被掺入COF-V膜的纳米通道时，离子选择性可能会逆转。将半胱氨酸负载量增加来研究半胱氨酸对离子转运的影响。结果表明， COF-Cys-60% 膜表现出反向离子选择性，即有利于钠离子传输， 理想的Na+/K+选择性为2.5。然而，半胱氨酸负载量进一步增加值80%，膜的渗透率和选择性都略有下降，这主要是由于COF-Cys-80%膜中有序通道结构被部分破坏，突出了有序纳米通道对离子筛分的重要性。这些结果表明，通过将半胱氨酸引入COFs膜的有序的纳米通道中，可以实现Na+ / K+选择性的可控调节，为一价阳离子分离提供了一个强大的平台。

由于半胱氨酸中的残基含有pH敏感的羧基和氨基，作者进而研究了pH对COF-Cys-60%膜离子传输性能的影响。半胱氨酸的等电点为5.02，因此研究了两种代表性pH条件下的离子扩散特性，即pH = 3.8和pH = 8.9。在pH = 3.8时， COF-Cys-60%膜对Na+和K+的渗透速率分别为12.6和21.4 mmol h−1m−2，K+/Na+的选择性为1.7（图3b）。相反，当溶液pH值升高至8.9时，COF-Cys-60%膜对Na+和K+的渗透速率分别为73.7 mmol h −1 m−2和 27.3 mmol h−1m−2，Na+/K+选择性为2.7。

图 4.（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；（c）单离子体系；（d）二元离子体系的Na+和K+的径向分布函数；（e）COF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膜xy平面中Na+的密度分布曲线；（g）二元离子体系中COF膜xy平面中K+的密度分布曲线；（h）二元离子体系中通过COFs膜的Na+和K+数量绘制为模拟时间的函数。(图片来源：Nat. Commun.)

作者提出半胱氨酸分子可以通过可逆配位相互作用调控Na+和K+转运（图4a）。在pH = 3.8时，目标离子和COF纳米通道之间不会发生特定的相互作用，Na+和K+都可以自由通过。考虑到 K+的扩散系数大于 Na+，因此，COF-Cys-60%膜的K+/Na+选择性为~1.7。增加溶液pH值可能会激活离子选择性开关，为Na+和K+提供更多的结合位点，这些结合位点可以被认为是降低Na+渗透能量势垒，因此，Na+通量显著增强，最终导致pH = 8.9下的Na+ / K+选择性为2.7。为了进一步了解不同pH条件下COF-Cys-60%膜中的离子传输机制，使用径向分布函数（RDF）分析目标离子与半胱氨酸分子之间的相互作用（图4b-e）。结果表明Na+和COO-之间具有更高的亲和力，使Na+更容易进入孔道，从而显著增强了Na+通量。质子化氨基则与离子间的相互作用可以忽略不计。作者进一步计算了 Na+ 和 K+的概率分布，在COF-Cys-COO膜中发现了更高密度的Na+（图4f），Na+和K+浓度分别为0.49和0.25 M。综上所述，模拟结果表明COF-Cys-60%膜的可调控的离子选择性源于离子与半胱氨酸之间的配位作用的差异。

图 5. （a）受到刺激以实现信号传输时穿过神经元膜的Na+ / K+转运；（b）膜电位测量示意图；（c）施加刺激时（pH）膜电位。(图片来源：Nat. Commun.)

最后，作者通过控制COF-Cys-60%膜上的Na+和K+转运来模拟体外膜电位切换过程。如图5c所示，pH = 3.8时，静息的COF-Cys-60%膜有利于K+转运，从而产生K+的净外排，因此稳定的膜电位~-8.5 mV。当刺激（pH = 8.9）施加到COF-Cys-60%膜上时，Na+的转运位点被激活，Na+的净流入改变了化学梯度，进而导致膜的极性逆转，显示出~+13.7 mV的膜电位。该结果展示了COF-Cys-60%膜的可调节的Na+ / K+选择性在操纵膜极性方面的作用。

总结

沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授团队开发了一种基于共价有机框架（COFs）的来调控Na+和K+转运传输的有力手段。将半胱氨酸锚定在COFs的规整孔道内，通过调节pH作为离子选择性开关，pH = 3.8时，K+/Na+选择性为1.7，pH = 8.9时，Na+/K+选择性为2.9。实验结果和分子动力学模拟表明离子和纳米通道之间的配位相互作用的差异有助于调控在不同pH条件下的离子选择性。此外，通过控制Na+的流入和K+的外排，可以切换膜的极性，从而模拟体内神经信号传导过程中的膜电位。该研究结果为开发潜在应用的智能膜提供了机会，包括刺激门控离子晶体管、纳流体电路以及精确的离子分离。

文献详情：

Li Cao, I-Chun Chen, Zhen Li, Xiaowei Liu, Muhammad Mubashir, Reham AL Nuaimi, Zhiping Lai*. Switchable Na+ and K+ selectivity in an amino acid functionalized 2D covalent organic framework membrane. Nat. Commun.,2022, 13, 7894.https://www.nature.com/articles/s41467-022-35594-7