CC BY
64НАНОСИСТЕМЫ
ДВУХСЛОЙНЫЙ ГРАФЕН КАК МЕМБРАНОМИМЕТИК: МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОННЫХ КАНАЛОВ 1Градов О.В., 12Градова М.А.
Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе РАН, http://www.inepcp.ru 117829 Москва, Российская Федерация
2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, http://www.chph.ras.ru 119991 Москва, Российская Федерация
Поступила в редакцию 14.11.2016
Представлена действительным членом РАЕН С.П. Губиным
Перспективы использования графена и родственных ему структур в качестве мембраномиметических материалов, до определенных пределов имитирующих функции биологических мембран, анализируются в представленном цикле работ. В настоящей работе рассматривается возможность моделирования функций ионных каналов на базе графена и ряда его производных. Обсуждаются физические механизмы избирательной проницаемости для различных мембраномиметиков, а также границы адекватного моделирования транспортных, каталитических, сенсорных и электрогенных свойств ионных каналов на основе двухслойных графеновых структур.
Ключевые слова: ионные каналы, графен, миметики каналов, нанопоры, капиллярная химия, EDLC, ионоселективные и химические полевые транзисторы
PACS: 81.05.ue
Содержание
1. Введение (154)
2. полупроницаемость и ионные каналы (154)
3. Наличие пор и ионных каналов в графеновых нанострукурах (158)
4. Заключение (161) Литература (161)
1. ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] представлен обзор мембранных
моделей — полусинтетических, синтетических,
биогенных, полупроводниковых, сверхпроводящих,
ферроэлектрических — и соответствующих мембраномиметиков от фосфолипидных бислоев
и ленгмюровских пленок до многослойных
нанопленок и ферромагнитных структур, наряду
с рассмотрением проблем неоднозначности моделей, полноты мембраномиметического моделирования, функциональной и субстратной
эквивалентности мембраномиметиков. Применение аналогичных функциональных критериев
подобия для анализа возможности рассмотрения
графена, в частности, двуслойного графена как мембраномиметика — предмет настоящей работы,
с акцентом на анализ ключевого его свойства
— свойства проницаемости для ионов, воды и иной органики.
2. ПОЛУПРОНИЦАЕМОСТЬ И ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Общеизвестным является наличие гибко регулируемой полупроницаемости по отношению к различным агентам графен-оксидных мембран в органических растворителях, причем размер наноканалов, обеспечивающих пропускание/блокирование отдельных агентов, может быть сужен путем термического отжига, либо расширен за счет сольватации, изменяя тем самым границу размерной селективности пропускания носителей [2]. Это соответствует известным моделям '^геДо1иЫ1ку"-регуляции натриевых ионных каналов [3] и адекватным аппроксимациям кинетики, зависящей от радиуса иона [4]. Являясь частным случаем применимости принципа количественных отношений структуры и биологической активности (QSAR) [5], принципы анализа регулируемости функции ионных каналов по параметрам стоков, которыми являются соответствующие мембранные поры, и размерам тех частиц,
НАНОСИСТЕМЫ
которые проникают сквозь эти поры, в случае графеновых пленок дают сбой, так как объект анализа выполняет «биологическую» функцию при том, что химическая структура его вовсе не является биоорганической и, более того, не входит и не может входить в базы данных ионных каналов [6], которые могли бы быть использованы для получения данных QSAR.
Следует напомнить, что ранее аналогичные сбои подходы QSAR давали при анализе поведения липидных нанопор, работавших как ионные каналы клеточных мембран, не содержащие классических элементов каналов [7], в силу размерных характеристик, адекватных размерам соответствующих ионов (обычно даже в случае признания зависимости входа той или иной группы каналов от размера ионов используются сложные биохимические и кристаллографические модели вплоть до гомогексамерной [8], то есть — совместимые с принципами QSAR на базе анализа конформации или стерической доступности биомакромолекул каналома).
В связи с данным противоречием было бы целесообразно указать на известные данные по ионной проницаемости синтетических фильтров, не анализировавшиеся методами QSAR в силу эквивалентных причин: было показано, что ионы, проходящие через синтетические фильтры из полиэтилентерефталата) отбираются
механизмами, обеспечивающими
мембраномиметическую (биомиметическую) кинетику, демонстрирующую, эквивалентно клеточным ионным каналам, дискретные быстрые переходы уровней проводимости, параметрическую селективность ионных потоков, а также ингибирование двухвалентными катионами [9, 10].
В связи с этим целесообразно сформулировать критерий верификации биомиметического характера мембраномиметических моделей, в основе которого лежало бы не стандартное для классической детерминистской модели генерации электрофизиологического потенциала утверждение о дискретном переходе состояний возбудимости («все или ничего» - «аП-ог-попе 1а^ [11, 12]), а утверждение о градациях эффективности ионных
каналов по проводимости и генерируемому биоэлектрическому отклику.
Это логично, так как показано, что состояния ионных каналов (являющихся прототипами данных мембраномиметических, а по существу — «каналомиметических» (channel mimetics) [1315] моделей) с низкой ионной проводимостью не являются «закрытыми», а меняются с определенными градациями, обеспечивающими различимые и качественно («ионоселективно»), и количественно (по проницаемости) типы мембранно-электрофизического или электрофизиологического отклика, являясь причиной специфических шумов каналома на патч-кламп-регистрограммах [16] (мембранные шумы графена, являющиеся критерием электрофизической мембраномиметики, будут рассмотрены ниже). Это не говорит о подобии структур и возможности редукции молекулярной машинерии каналома до уровня обычных пор (ни в коем случае), однако говорит об общих принципах работы малоспецифических физических механизмов на наномасштабах, на которых размерные эффекты обусловливаются физикой, а не химией, т.е. инвариантны к химизму среды и к макромолекулярной морфологии (био)полимеров (в стандартном смысле этого термина, придававшемся ему П.Дж. Флори (P.J. Flory) [17, 18], Нобелевским лауреатом, которому, в частности, принадлежит авторство уравнения Флори-Хаггинса, которое, в формальном аспекте, является аналогом уравнения Ван-дер-Ваальса и, как следствие этого, может быть применено на тех масштабах и при той физике явлений, которую мы обзорно рассматриваем в данной работе).
По вышеприведенным причинам,
биомиметическая интерпретация и присваивание специфических свойств биологических мембран графену и другим (адекватным к размерам ионов) пленочным мембраномиметикам, хотя и не противоречит фактам, является логической ошибкой инверсии, смешением дедуктивного и индуктивного предиката: графен и мембрана клетки, имеющие поры идентичного размера, благоприятствующие входу в клетку или под пленку ионов с определенными параметрами, очевидно, подчиняются единым физико-химическим принципам (что проявляется,
156
iJU ГРАДОВ O.B., ГРАДОВА М.А.
НАНОСИСТЕМЫ
в частности, в подобии сольватационной регуляции и электрофизического отклика), следовательно, «в данном аспекте графен — мембраномиметик в той же мере, как и мембрана (в том же аспекте) — графеномиметик».
Это говорит о том, что задача подобия (в том числе — указанного выше QSAR) для структур данного рода, если решать её сквозь призму молекулярной биологии, а не биофизической (и биоколлоидной) химии, некорректна. По принципам классической коллоидной и капиллярной химии [19, 20] можно определить границы эффективности сорбционных процессов в каналах и порах той или иной величины, что применимо и для цитофизиологии [21] (изотерма адсорбции Фрейндлиха [22], как известно, носит имя Герберта Фрейндлиха — основателя капиллярной химии и инициатора капиллярно-химического направления в физиологии). Таким образом, рациональнее ставить проблему каналомики графен-оксидных мембраномиметиков как вопрос о размерных эффектах, присущих первым в аспекте адсорбции и абсорбции, фильтрации и размерной сепарации частиц, но не как вопрос о специализированных структурах, удовлетворяющих условиям подобия конкретной цитофизиологической форме проявления физико-химических механизмов сепарации («подобия общего частному его проявлению»).
Эффекты зависящего от размера частиц пропускания агентов сквозь пленки графена хорошо известны в нанохимии [23, 24]. Реактивность по отношению к газам [25] и электрохимические свойства наноэлектродных слоев графена [26] также зависят от размера пор. Это направление — т.н. "size-dependent electrochemistry" концептуально является продолжением "kapillarchemie" Фрейндлиха. Данный подход широко применим не только в химии углеродных структур, но и в наноструктурном материаловедении в целом.
Если говорить об углеродных структурах, родственных графену, то наноэлектрохимия, основанная на размерных эффектах, применялась в исследованиях многослойных слоистых углеродных нанотрубок [27], а также восстановленного и частично восстановленного оксида графита [28], являющегося электродным
материалом при создании двухслойных конденсаторов [29], часто рассматриваемых в модальностях миметиков и моделей бислойных биомембран [30-34], также как и слоистые суперконденсаторы EDLC-типа ("electric double-layer capacitor"), имеющие выраженные зависимости между размерами ионов и пор [35], аналогично биологическим мембранам и мембранным биомиметикам, рассмотрение которых было проведено выше. К слову сказать, восстановленный оксид графита используется в подобных суперконденсаторах как электродный материал [36], что позволяет воспроизводить на EDLC-моделях мембран на его основе не только функции запасания энергии, но и биохимические рецепторные функции типа детектирования специфических медиаторов/нейротрансмиттеров/нейрогормонов (например — дофамина [37-39]), выполняя его на электрохимических принципах без опосредования этого процесса специфическими высокомолекулярными агентами [40-42] (в частности — в силу толщинно-зависимых гидрофобных свойств графена, формально подобных размерно-зависимым свойствам «трансграфенного переноса» различно заряженных биомолекулярных агентов через поры в его гидрофобной поверхности [43, 44], что ставит проблему инжиниринга рецептирующих графеновых биомиметиков в разряд решаемых физикой, эквивалентной методам дизайна миметиков рецепторов (receptor mimetic peptides) [45] на базе моделирования гидрофобных взаимодействий).
На данный момент все исключения из данного редукционистского правила, в сущности, только подтверждают правило, так как диапазон зарядов, масс и других физико-химических характеристик используемых в композитных техниках веществ, равно как и их биохимические (или иммунохимические — в случаях, когда можно так охарактеризовать принципы детектирования) аффинности различаются на порядки: аптамеры/нуклеиновые кислоты [46-47]; проводящие полимеры, такие, как полипиррол (и на графене, и на пиролитическом графите) [48-51]; порфирины и их производные, качественно отличающиеся по физико-химическим свойствам и аспектам
НАНОСИСТЕМЫ
поведения в растворах [52-53]; аминосахара — производные линейных полисахаридов — такие, как хитозан [55, 56], использующийся в качестве среды для иммобилизации; полимерные электролитические мембраны, в частности, на основе фторсодержащих сополимеров
— фторуглеродных виниловых эфиров, включающих сульфогруппы (общеизвестный пример — нафион), в том числе — с композитной импрегнацией неорганическими частицами и структурно-модифицирующими агентами [57-59]; собственно, сами неорганические частицы и кластеры — наночастицы золота, меди, никеля и оксида цинка [61-68]; допирующие графен элементы, в частности
— азот [69, 70]. Хотя это неполный список, но на нем достаточно полно представлены границы различных массовых и зарядовых характеристик для молекул, встречающихся в рецептирующих мембраномиметических структурах на базе графена и его производных. Хотя в некоторых случаях электрофизический отклик и не регистрировался напрямую (только по вторичным индикаторам — типа редокс-зависимой флуоресценции), приведенной информации может быть достаточно для заключения «от противного» о корректности модели редукционистского типа, не включающей потребность в биоорганических или высокомолекулярных агентах для реализации рецепторных функций данными мембраномиметиками.
Надо сказать, что графеновые наноструктуры часто предназначаются одновременно для создания ж-слойных суперконденсаторов и сенсоров к различным агентам, срабатывающих без участия ферментов [71]. В этих сенсорах графен является лишь одним из вариантов суперконденсатора—существуютбиосенсоры [72], сенсоры газов [73] и влажности [74] (эти сенсоры могут одновременно запасать электроэнергию) на базе мембран суперконденсаторных покрытий отличного от графена состава. При этом, с точки зрения каналомики данных мембраномиметиков, надо отметить, что сенсорные мембраны суперконденсаторов могут сепарировать ионы, синтетические и биогенные молекулы (см. напр., [75]) и участвовать в диссоциации солей, вырабатывая при этом
энергию [76] на принципах создания ионного градиента (эквивалентно хемиосмотической модели Митчелла, цитировавшейся ранее). То есть, сенсорные и энергообеспечивающие свойства мембраномиметиков на базе графена и подобных структур, в частности, используемых в суперконденсаторах и датчиках параметров сред, будучи подобными по феноменологии ряду фундаментальных отличительных свойств биомембран, обеспечиваются электрофизическими механизмами (полярность/ неполярность молекул; их гидрофильность/ гидрофобность либо лиофильность/ лиофобность; ряд свойств, имеющих отношение к координации по нескомпенсированному заряду). Нет смысла останавливаться на биосенсорных характеристиках графеновых мембраномиметиков в данном разделе, так как они будут рассматриваться отдельно, равно как и хемосенсорные, но рассмотрение сенсорных свойств мембраномиметиков на основе суперконденсаторов было здесь рационально в контексте экстраполяции критериев канало-/ мембраномиметического моделирования и «сведения к единому знаменателю» сенсорных, сепаративных и электрофизических
характеристик моделирующей физической системы.
В связи с означенными корреляциями электрических и транспортных
(ионоселективных, химических и др.) свойств необходимо указать на тип их взаимодействия, при которых такое взаимодействие кооперативно. На данный момент хорошо теоретически изучены ISFET (ионоселективные полевые транзисторы) на основе графена, чувствительные к динамике рН (редокс-потенциала), то есть — концентрации протонов [77], что явно коррелирует с хемиосмотической моделью мембранного электрогенеза Митчелла и, одновременно, с моделями биомембраны как транзисторной структуры, распространенными с 1960-х гг. [78]. Перенос ионов, сенсинг и изменение электрических параметров сенсора в них синхронизированы и взаимообусловлены. Надо сказать, что для ионоселективных полевых транзисторов (ISFET), равно как и для химически-селективных полевых транзисторов вообще (ChemFET, частным режимом или случаем
ГРАДОВ О.В., ГРАДОВА М.А..
НАНОСИСТЕМЫ
работы которых является ионоселективное распознавание [79, 80], т.е. ISFET), в принципе не существует отличия между «мембранной селективностью» и «специфичностью электроотклика сенсора» [81]. В последнее время в качестве ионных сенсоров для микрофлюидных и нанофлюидных систем хемометрического назначения (лабораторий на чипе) используют ионные транзисторы, принципы работы которых основаны на ионно-градиентной поляризации ионообменных мембран [82], способных выполнять задачи электрогенного ионообмена и сенсинга, характеризующегося откликом в электрической модальности, одновременно. Аналогичные возможности, в принципе, имеются у графеновых или графен-оксидных ионообменников, а также композитных ионообменных материалов на их основе [8385], в силу чего принципы синхронизации различных аспектов их активности как мультифункциональных мембраномиметиков реализуемы и в случае графена и его аналогов/ продуктов/производных, применимых как FET. Следует отметить, что для выполнения большинства подобных функций графен-содержащие конструкции должны обладать свойствами FET, а не целостного ChemFET: хорошо известны сенсоры на основе графеновых и графен-содержащих FET-структур, не позиционирующихся напрямую в роли ChemFET, но используемых для редокс-сенсинга [86], аптасенсинга [87], электрохимического биосенсинга [88], сенсинга ионов металлов [89], а также как компоненты биоэлектрохимического биоэлектронного «носа» [90]. Это связано с качественной зависимостью отклика графеновых FET отокружающей жидкостной или парофазной среды [91], сопряженной, в частности, с увеличением подвижности носителей заряда (дырок), уменьшением остаточной концентрации носителей и изменениями в трафике молекул, индуцированными заряженными дефектами (т.н. «перфорацией») вблизи поверхностей активных слоев. В свою очередь, перечисленные эффекты можно связать с зарядовым транспортом, а также ориентацией молекул, индуцируемой зарядом вблизи поверхности FET [92], однако это требует наличия вакантных пор и зарядовых дефектов в мембраномиметической поверхности
(аналогичных структурно-электрофизическим особенностям биомембран, в которых электрогенные особенности, ионный транспорт и пространственная ориентация молекул в управляющем им электрическом поле сопряжены и взаимно-однозначно колокализованы [93]).
3. НАЛИЧИЕ ПОР И ИОННЫХ КАНАЛОВ В ГРАФЕНОВЫХ НАНОСТРУКУРАХ
Рассмотрим вопрос о наличии пор и аналогов ионных каналов (либо возможности их реализации) в графене и продуктах его переработки или прекурсорах и родственных им соединениях. Известны газотранспортные [94] и ионно-транспортные [95] каналы в ламинарном оксиде графена и в графеновых наноструктурах электрофизического (электротехнического — для создания литий-ионных аккумуляторов) назначения. Все феномены селективного ионопроникновения сквозь графеновые структуры имеют в основе работу данных каналов. В литературе можно найти аналоги всех основных ионных каналов, реализованные на базе графеновых нанопор/каналов [96, 97]: для щелочных металлов [98], включая биомиметические (биоинспирированные)
аналоги натриевых и калиевых каналов [99] (иные щелочные металлы — литий, рубидий и цезий, как показывает практика [100-102] и следует из термодинамических расчетов для одновалентных катионов [103] и квантово-химических моделей для ряда ионов щелочных металлов [104], также способны работать в каналоме, но их кларк весьма низок и не позволяет выполнять какие-либо функции в макромасштабах на уровне организма и биосферы), для ионов хлора [105] (аналоги известных хлорных каналов [106, 107]) и т.д. Мы здесь специально не рассматриваем имеющие прецеденты в графеновой отрасли, но не релевантные, хотя и существующие в ролях биологических агентов, каналы и поры (такие как срабатывающие на рубидий, гадолиний и др. редкоземельные металлы, лантаноиды, актиноиды [108, 109]), чтобы не отходить от биомиметической функциональной аналогии.
При синтезе биомиметических ISFET на базе графена важен аспект «совместимости с каналомом», так как ISFET на базе
НАНОСИСТЕМЫ
углеродных наноструктур используются для электрофизических исследований в
нейроцитологии [110], т.е. образуют контакты с нейроном, которые являются ионообменными структурами между каналомом и FET, реагирующими на внеклеточную среду и опосредованную ей стимуляцию или ингибирование ионно-транспортной активности каналов [111].
Факты, накопившиеся за последнее время относительно возможности
имитации работы ионных каналов, а также возможности их встраивания в графеновые капсулы или мембраноподобные структуры, к 2015 г. дали возможность перехода к рассмотрению графеновых капсул с ионоселективными каналами как протоклеток или же «эмбриональных» (т.е. не развитых до зрелого дефинитивного состояния воспроизведения полной функциональности живой клетки) модельных протоклеток [12, 113]. Эта интерпретация может вызывать вопросы, однако, учитывая, что ранние модели протоклеток представляли собой мембранные фосфолипидные структуры [114-116], мембраномиметический смысл данной абстракции не вызывает сомнений (хотя и не является прорывом на фоне множества безлипидных [117], безмембранных [118] и переключаемых двойным слоем/ электростатически в отсутствие мембраны [119], неорганических [120, 121] и минеральных [122, 123] протоклеток), то есть налицо замещение мембраны её функциональной альтернативой.
Однако очевидно, что альтернатива действует не так, как оригинал, хотя и обеспечивает химический сенсинг в окрестности графеновых поверхностей [124]: проведение частиц сквозь графеновые пленки может производиться не только по критерию массы или заряда [125], но и по критерию спина [126], что в корне отличается от общепринятой физики биомембран-прототипов (хотя спиновые методы и спиновые метки нередко используются в биофизике и цитофизиологии, при исследовании свойств ионных каналов и мембранной проницаемости [127-131]). Таким образом, речь идёт о проведении физических агентов, а не химических (ионных) носителей QSPR/QSAR-сопряженных
характеристик и химико-физиологических свойств. В таком случае модель может считаться объективной только если она адекватна оригиналу эмерджентно, по механизмам формирования; функционально отличающиеся качественно модели порождаются разными принципами, и в силу этого не воспроизводят свойства оригинала ровно в той мере, что задается различием их механизмов формирования или, точнее, именно отличием их механизма формирования от формирования оригинала для случая, если он формировался бы на той же вещественной (субстратной — в биологической терминологии) базе.
Известны работы по формированию графеновых каналов методами индуцированного скручивания графеновых поверхностей в трубку [132]. В биологии это имеет аналогию в виде сборки модельных каналов на базе самоорганизующихся сворачиванием
(фолдингом) пептидных нанотрубок
[133], формирующихся непосредственно в процессе взаимодействия их с лигандом
[134] (как надмолекулярный [135] отклик на это взаимодействие). Аналогичным путем самоорганизуются модельные сети ионных каналов на базе жидкокристаллических биконтинуальных кубических фаз [136] или колончатых фаз на базе краун-эфиров в билипидных слоях [137] (немного иначе происходит сборка ионных каналов на базе дендримеров ввиду их разветвленной структуры [138], но этот специальный случай не является характеристичным и не может быть воспроизведен на базе планарных графеновых мембраномиметических носителей, поэтому детально не рассматривается). Иной механизм самосборки мембраны и, следовательно, мембранных каналов характерен для условий темплатирования, моделью которого является формирование графеновых поверхностей на каталитически-активных и ультрамикроструктурированных подложках (например — для получения FET и ионоселективных структур [139, 140]).
Каталитическая структуризация
подповерхностного слоя [141] является неизбежным условием синтеза на поверхности каталитически активированных структур.
160 ГРАДОВ О.В., ГРАДОВА М.А.
НАНОСИСТЕМЫ
Темплатирование на неорганических
каталитических поверхностях является необходимым для синтеза множества неорганических каталитически-активных
(до определенных пределов самосборки — автокаталитически) редокс-поверхностей
[142]; аналогичные требования работают в синтезе слоев с каналами, опосредованном металлическими темплатирующими
поверхностями [143]. В таких синтезах вакансии, срабатывающие затем в роли затравок формирования каналов, также участвуют в определении и направлении форм структуризации поверхности при фазовых переходах [144]. Аналогичную, но качественно обратную роль имеют ионы металлов: темплатирование молекулами поверхностно-активных веществ на солевых поверхностях с металлическими аддуктами формирует металлотропные жидкокристаллические
фазы [145]. Учитывая применимость методов каталитического темплатирования для синтеза оксид-графеновых наноструктур [146], возможно создание на их основе биомиметических/ мембраномиметических поверхностей, роль миметиков каналов в которых будут выполнять структуры, формируемые по темплатным и смежным с ними механизмам. Это будет адекватно как темплатно-ассоциированному синтезу пептидных систем, формирующих ионные каналы [147], так и формированию синтетических неорганических трансмембранных трубок и каналов при липидном темплатировании
[148], то есть будет субстратно независимым как от класса биомолекулярных и супрамолекулярных носителей, так и от органического/неорганического химизма носителя функциональных свойств каналов или их прекурсоров вообще, что и требуется для агентного моделирования их миметиков.
Рассматривая более глубоко проблему катализа в самоорганизации миметиков ионных каналов, в том числе — графеновых миметиков, надо указать на каталитическую функцию каналов-прототипов. Каталитически активны как катионные (например — кальциевые
[149], характеризующиеся сопряжением каталитических и канальных функций при АТФ-опосредованном транспорте Са2+), так
и анионные [150] каналы и ионные насосы клеточной мембраны. У многих специфических регуляторов ионного переноса/ионной проводимости (таких, в частности, как CFTR — cystic fibrosis transmembrane conductance regulator [151, 152]) функции катализа и регуляции открытия/закрытия каналов сопряжены. АТФ-чувствительные калиевые каналы (иногда записывающиеся как KATP/KATP или, в зависимости от места локализации, sarcKATP для сарколеммы, mitoKATP для хондриома и nucKATP для ядерной локализации) также обладают каталитической функцией [153, 154]. Аналогично обстоит дело и с редокс-регуляторами и медиаторами метаболизма железа — ионными каналами на базе ферритина [155], а также их синтетическими производными либо аналогами, формируемыми с включением наноструктур [156].
В принципе, речь идёт о том, что синтетические каталитические поры [157] способны, в случае адекватности биологическим прототипам по ионной селективности, выполнять функции ионных каналов с аналогичной (био) каталитической функцией. Возможность реализации этого в контексте агентных моделей определяется тем, что, во-первых, и для калиевых [158], и для натриевых [159] каналов (как наиболее известных и противоположных по значению — в состоянии покоя открыты калиевые каналы и закрыты натриевые, так как параметрика потенциала покоя близка к равновесному потенциалу Нернста для ионов калия) в различном аспекте существенен катализ; во-вторых, как было указано выше, это работает и для катионных каналов, и для анионных каналов (название хлоридных каналов в данном случае не в полной мере отвечает действительности, так как они же проводят ионы HCO3", I-, SCN" и NO"), а в-третьих, взаимозаместимостью одновалентных катионов во многих модельных ионоселективных системах [160]. С другой стороны, каталитические функции и распознавание лигандов возможны и в отсутствие ионных каналов — путем пи-катионных взаимодействий [161]; в то же время, сопряжение фаз генерации потенциала и катализа в мембране может осуществляться липидным путем, например, фосфолипидом типа PI(4,5) P2 (phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,
НАНОСИСТЕМЫ
фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат)
[162] (комментарий к [163]). Таким образом, характер агента и его структура не являются существенными для имитации его функции, но адекватность функции является критерием подобия модели оригиналу.
В качестве характеристичного примера в каталитическом аспекте следует привести водные каналы, функция которых ассоциируется с активными в каталитическом аспекте сайтами [164]: их воспроизведение в графеновой пленке или графитовой поверхности в форме водопроницаемых каналов [165, 166] может быть реализовано (при наличии движущего градиента) вне рамок структурного моделирования и синтеза/дизайна миметиков каналов при использовании простой пассивной модели мембраны с проницаемостью, зависящей от размера ионов, и водопроницаемостью в тех же каналах или особенностях поверхности [167]. Это соответствует, в больше степени, модели мембранных пор и неселективных независимых ионных каналов, проницаемость которых определяется размерами ионов или молекул; однако естественные водные каналы
— интегральные белки аквапорины — также, как видно из названия, являются порами, которые, в зависимости от диаметра и формы, пропускают также глицерин, аммиак, мочевину и углекислый газ [168].
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В общем случае, агентное функциональное воспроизведение ионных каналов на графеновых носителях не только возможно, но и сопряжимо с требованием колокализации ионоселективных и электрогенных функций, вытекающим из анализа функций биофизического прототипа
— мембраны. Примером реализующей это структуры могут являться каналы в графене ISFET
— ионоселективных полевых транзисторов [169, 170], рассмотренных выше. Однако, существуют два аспекта электрогенеза, которые не могут быть проигнорированы при анализе поведения каналов в графене ISFET. Речь идёт, во-первых, о двойном электрическом слое, который является абсолютным теоретическим пределом дизайна наноэлектронных систем, а, во-вторых, о двухслойности биологической мембраны как
конденсатора (что требуется для моделирования её периодической разрядки в форме потенциалов действия и пробоя в зоне формирования мембранных пор), которой должна быть сопоставлена двухслойная структура графенового агентного мембраномиметика. Тогда «логическая производительность» и «скважность» работы графеновых каналов [171] в электрогенной среде — двухслойном графене — будет иметь более высокую степень аналогии с биологическим прототипом. Прицельное рассмотрение двойного слоя как драйвера электрогенных процессов и мембраномиметической структуры, наряду с рассмотрением отличий двухслойных и многослойных структур на основе графена от их однослойных аналогов в мембраномиметике, будет произведено в следующей части настоящего цикла статей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Градов ОВ. Мембранные модели и анзац двухслойного графена как мембраномиметика. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологиии (РЭНСИТ), 2016, 8(1):25-38; DOI: 10.17725/ rensit.2016.08.025.
2. Huang L, Li Y, Zhou Q, Yuan W, Shi G. Graphene Oxide Membranes with Tunable Semipermeability in Organic Solvents. Adv Mater, 2015, 27(25):3797-3802.
3. Courtney KR. Sodium channel blockers: the size/ solubility hypothesis revisited. Mol. Pharmacol., 1990, 37(6):855-859.
4. Courtney KR. Size-dependent kinetics associated with drug block of sodium current. Biophys. J., 1984, 45(1):42-44.
5. Courtney KR. Quantitative structure/activity relations based on use-dependent block and repriming kinetics in myocardium. J. Mol. Cell Cardiol, 1987, 19(3):319-330.
6. Le Novere N, Changeux JP. The Ligand Gated Ion Channel database: an example of a sequence database in neuroscience. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B: BiolSa, 2001, 356(1412):1121-1130.
7. Pakhomov AG, Bowman AM, Ibey BL, Andre FM, Pakhomova ON, Schoenbach KH. Lipid nanopores can form a stable, ion channel-like conduction pathway in cell membrane. Biochem. Biophys. Res. Commun, 2009, 385(2):181-186.
162 TPAAOB O.B., rPAAOBÄ M.A.
HAHOCMCTEMbl
8. Cruickshank CC, Minchin RF, Le Dain AC, Martinac B. Estimation of the pore size of the large-conductance mechanosensitive ion channel of Escherichia coli. Biophys. J., 1997, 73(4):1925-1931.
9. Lev AA, Korchev YE, Rostovtseva TK, Bashford CL, Edmonds DT, Pasternak CA. Rapid switching of ion current in narrow pores: implications for biological ion channels. Proc. Biol. Sa, 1993, 252(1335):187-192.
10. Korchev YE, Bashford CL, Alder GM, Apel PY, Edmonds DT, Lev AA, Nandi K, Zima AV, Pasternak CA. A novel explanation for fluctuations of ion current through narrow pores. FASEB J., 1997, 11(7):600-608.
11. Osterhout WJ. Nature of the action current in nitella: V. Partial response and the all-or-none law. J. Gen. Physiol., 1943, 27(1):61-68.
12. Osterhout WJ. Apparent violations of the all-or-none law in relation to potassium in the protoplasm. J. Gen. Physiol., 1954, 37(6):813-824.
13. Steinle ED, Mitchell DT, Wirtz M, Lee SB, Young VY, Martin CR. Ion channel mimetic micropore and nanotube membrane sensors. Anal. Chem, 2002, 74(10):2416-2422.
14. Guo W1, Tian Y, Jiang L. Asymmetric ion transport through ion-channel-mimetic solid-state nanopores. Acc. Chem. Res., 2013, 46(12):2834-2846.
15. Wirtz M, Martin CR. Nanotube Membrane Sensors: Resistive Sensing and Ion Channel Mimetics. Sens. Upd., 2002, 11(1):35-64.
16. Korchev YE, Bashford CL, Alder GM, Kasianowicz JJ, Pasternak CA. Low conductance states of a single ion channel are not 'closed'. J. Membr. Biol., 1995, 147(3):233-239.
17. Flory PJ. Molecular morphology in amorphous and glass polymers. Journ. Non-Crystal. Sol., 1980, 42(1—3):117.
18. Flory PJ, De Yeung Y. Molecular morphology in semicrystalline polymers. Nature, 1978, 272:226-229.
19. Freundlich H. Kapillarchemie; eine Darstellung der Chemie der kolloide und verwandter Gebiete, Band 1. Leipzig, Akademische Verlagsgesellschaft, 1930, 566 p.
20. Freundlich H. Colloid & capillary chemistry. New York, E.P. Dutton & Company, 1922, 883 p.
21. Freundlich H. Kapillarchemie und Physiologie. Dresden, Theodor Stienkopff, 1914, 48 p.
22. Freundlich H. Die Adsorption in Lösungen. Z. Phys. Chem., 1906, 57(A):385-470.
23. Plant SR, Cao L, Yin F, Wang ZW, Palmer RE. Size-dependent propagation of Au nanoclusters through few-layer graphene. Nanoscale, 2014, 6(3):1258-1263.
24. Jeon KJ, Lee Z. Size-dependent interaction of Au nanoparticles and graphene sheet. Chem. Commun, 2011, 47(12):3610-3612.
25. Si C, Zhou G. Size-dependent chemical reactivity of porous graphene for purification of exhaust gases. J. Chem. Phys, 2012, 137(18):184309-1 -184309-6.
26. Zhang B, Fan L, Zhong H, Liu Y, Chen S. Graphene nanoelectrodes: fabrication and size-dependent electrochemistry. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(27):10073-10080.
27. Cardoso RM, Montes RH, Lima AP, Dornellas RM, Nossol E, Richter EM, Munoz RA. Multi-walled carbon nanotubes: Size-dependent electrochemistry of phenolic compounds. Electrochim. Acta, 2015, 176:36-43.
28. Tran MH, Yang CS, Yang S, Kim IJ, Jeong HK. Size dependent electrochemical properties of reduced graphite oxide. Chem. Phys. Lett, 2014, 608:207-212.
29. Hantel MM, Kaspar T, Nesper R, Wokaun A, Kötz R. Partially reduced graphite oxide as an electrode material for electrochemical double-layer capacitors. Chemistry, 2012, 18(29):9125-9136.
30. Rao S, Lu S, Guo Z, Li Y, Chen D, Xiang Y. A light-powered bio-capacitor with nanochannel modulation. Adv. Mater., 2014, 26(33):5846-5850.
31. Lamport DT, Varnai P, Seal CE. Back to the future with the AGP-Ca2+ flux capacitor. Ann. Bot., 2014, 114(6):1069-1085.
32. Kim I, Warshel A. A Microscopic Capacitor Model of Voltage Coupling in Membrane Proteins: Gating Charge Fluctuations in Ci-VSD. J. Phys. Chem. B., 2016, 120(3):418-432.
33. Ray S, Kassan A, Busija AR, Rangamani P, Patel HH. The plasma membrane as a capacitor for energy and metabolism. Am. J. Physiol. Cell Physiol., 2016, 310(3):C181-C192.
34. Gimsa J, Wachner D. A unified resistor-capacitor model for impedance, dielectrophoresis,
НАНОСИСТЕМЫ
electrorotation, and induced transmembrane potential. Biophys. J., 1998, 75(2):1107-1116.
35. Largeot C, Portet C, Chmiola J, Taberna PL, Gogotsi Y, Simon P. Relation between the ion size and pore size for an electric double-layer capacitor. J. Am. Chem. Soc, 2008, 130(9):2730-2731.
36. Lobato B, Vretenar V, Kotrusz P, Hulman M, Centeno TA. Reduced graphite oxide in supercapacitor electrodes. J. Coll. Interf. Sci., 2015, 446:203-207.
37. Kannan PK, Moshkalev SA, Rout CS. Highly sensitive and selective electrochemical dopamine sensing properties of multilayer graphenenanobelts. Nanotechn, 2016, 27(7):075504-1 - 075504-9.
38. Qian T, Yu C, Wu S, Shen J. Gold nanoparticles coated polystyrene/reduced graphite oxide microspheres with improved dispersibility and electrical conductivity for dopamine detection. Coll. Surf. B: Biointerfaces, 2013, 112:310-314.
39. Qian T, Wu S, Shen J. Facilely prepared polypyrrole-reduced graphite oxide core-shell microspheres with high dispersibility for electrochemical detection of dopamine. Chem. Commun, 2013, 49(41):4610-4612.
40. Feng X, Zhang Y, Zhou J, Li Y, Chen S, Zhang L, Ma Y, Wang L, Yan X. Three-dimensional nitrogen-doped graphene as an ultrasensitive electrochemical sensor for the detection of dopamine. Nanoscale, 2015, 7(6):2427-2432.
41. Bagherzadeh M, Heydari M. Electrochemical detection of dopamine based on pre-concentration by graphene nanosheets. Analyst, 2013, 138(20):6044-6051.
42. Cheemalapati S, Palanisamy S, Mani V, Chen SM. Simultaneous electrochemical determination of dopamine and paracetamol on multiwalled carbon nanotubes/graphene oxide nanocomposite-modified glassy carbon electrode. Talanta, 2013, 117:297-304.
43. Munz M, Giusca CE, Myers-Ward RL, Gaskill DK, Kazakova O. Thickness-Dependent Hydrophobicity of Epitaxial Graphene. ACS Nano., 2015, 9(8):8401-8411.
44. Schneider GF, Xu Q, Hage S, Luik S, Spoor JN, Malladi S, Zandbergen H, Dekker C. Tailoring the hydrophobicity of graphene for its use as
nanopores for DNA translocation. Nat. Commun, 2013, 4:2619.
45. Martin-Moe SA, Lehr R, Cauley MD, Moe GR. Hydrophobic interactions and the design of receptor mimetic peptides. Pept. Res., 1995, 8(2):70-76.
46. Wang X, You Z, Sha H, Cheng Y, Zhu H, Sun W Sensitive electrochemical detection of dopamine with a DNA/graphene bi-layer modified carbon ionic liquid electrode. Talanta, 2014, 128:373-378.
47. Liu S, Xing X, Yu J, Lian W, Li J, Cui M, Huang J. A novel label-free electrochemical aptasensor based on graphene-polyaniline composite film fordopamine determination. Biosens. Bioelectron., 2012, 36(1):186-191.
48. Qian T, Yu C, Wu S, Shen J. In situ polymerization of highly dispersed polypyrrole on reduced graphite oxide for dopaminedetection. Biosens. Bioelectron, 2013, 50:157-160.
49. Qian T, Wu S, Shen J.Facilely prepared polypyrrole-reduced graphite oxide core-shell microspheres with high dispersibility for electrochemical detection of dopamine. Chem. Commun, 2013, 49(41):4610-4612.
50. Si P, Chen H, Kannan P, Kim DH. Selective and sensitive determination of dopamine by composites of polypyrrole and graphenemodified electrodes. Analyst, 2011, 136(24):5134-5138.
51. Mao H, Liang J, Ji C, Zhang H, Pei Q, Zhang Y, Zhang Y, Hisaeda Y, Song XM. Poly(zwitterionic liquids) functionalized polypyrrole/graphene oxide nanosheets for electrochemically detecting dopamine at low concentration. Mater. Sci. Eng. C: Mater. Biol. Appl, 2016, 65:143-150.
52. Wu L, Feng L, Ren J, Qu X. Electrochemical detection of dopamine using porphyrin-functionalized graphene. Biosens. Bioelectron., 2012, 34(1):57-62.
53. Sakthinathan S, Lee HF, Chen SM, Tamizhdurai P. Electrocatalytic oxidation of dopamine based on non-covalent functionalization of manganese tetraphenylporphyrin/reduced graphene oxide nanocomposite. J. Coll. Interf. Sci, 2016, 468:120-127.
54. Yan X, Gu Y, Li C, Tang L, Zheng B, Li Y, Zhang Z, Yang M. Synergetic catalysis based on the proline tailed metalloporphyrin with graphene sheet as efficient mimetic enzyme for ultrasensitive
164 TPAAOB O.B., rPAAOBA M.A.
HAHOCMCTEMbl
electrochemical detection of dopamine. Biosens. Bioelectron., 2016, 77:1032-1038.
55. Niu X, Yang W, Guo H, Ren J, Yang F, Gao J. A novel and simple strategy for simultaneous determination of dopamine, uric acid and ascorbic acid based on the stacked graphene platelet nanofibers/ionic liquids/chitosan modified electrode. Talanta, 2012, 99:984-988.
56. Weng X, Cao Q, Liang L, Chen J, You C, Ruan Y, Lin H, Wu L. Simultaneous determination of dopamine and uric acid using layer-by-layer graphene and chitosan assembled multilayer films. Talanta, 2013, 117:359-365.
57. Ku S, Palanisamy S, Chen SM. Highly selective dopamine electrochemical sensor based on electrochemically pretreated graphite and nafion composite modified screen printed carbon electrode. J. Coll Intef. Sa., 2013, 411:182-186.
58. Zhang W, Zheng J, Shi J, Lin Z, Huang Q, Zhang H, Wei C, Chen J, Hu S, Hao A. Nafion covered core-shell structured Fe3O4@graphene nanospheres modified electrode for highly selective detection of dopamine. Anal. Chim. Acta, 2015, 853:285-290.
59. Liu CY, Liu ZY, Peng R, Zhong ZC. Quasireversible Process of Dopamine on Copper-Nickel Hydroxide Composite/Nitrogen Doped Graphene/Nafion Modified GCE and Its Electrochemical Application. J. Anal. Meth. Chem, 2014, 2014:724538.
60. Ly SY, Park, Won D. Diagnosis of Dopamine in Brain Neuro Cell Using a Nafion-immobilized Carbon Electrode. Med. Chem., 2012, Sep 10. [Preprint].
61. Yang L, Huang N, Lu Q, Liu M, Li H, Zhang Y, Yao S. A quadruplet electrochemical platform for ultrasensitive and simultaneous detection of ascorbic acid,dopamine, uric acid and acetaminophen based on a ferrocene derivative functional Au NPs/carbon dots nanocomposite and graphene. Anal. Chim. Acta., 2016, 903:69-80.
62. Wang P, Xia M, Liang O, Sun K, Cipriano AF, Schroeder T, Liu H, Xie YH. Label-Free SERS Selective Detection of Dopamine and Serotonin Using Graphene-Au Nanopyramid Heterostructure. Anal. Chem., 2015, 87(20):10255-10261.
63. Li C, Zhao J, Yan X, Gu Y, Liu W, Tang L, Zheng B, Li Y, Chen R, Zhang Z. Tremella-like
graphene-Au composites used for amperometric determination of dopamine. Analyst, 2015, 140(6):1913-1920.
64. Yan Y, Liu Q, Wang K, Jiang L, Yang X, Qian J, Dong X, Qiu B. Enhanced peroxydisulfate electrochemiluminescence for dopamine biosensing based on Au nanoparticle decorated reduced graphene oxide. Analyst, 2013, 138(23):7101-7106.
65. Chen X, Zhang G, Shi L, Pan S, Liu W, Pan H. Au/ZnO hybrid nanocatalysts impregnated in N-doped graphene for simultaneous determination of ascorbic acid, acetaminophen and dopamine. Mater. Sci. Eng. C: Mater. Biol. Appl., 2016, 65:80-89.
66. He P, Wang W, Du L, Dong F, Deng Y, Zhang T. Zeolite A functionalized with copper nanoparticles and graphene oxide for simultaneous electrochemical determination of dopamine and ascorbic acid. Anal. Chim. Acta., 2012, 739:25-30.
67. Liu B, Ouyang X, Ding Y, Luo L, Xu D, Ning Y. Electrochemical preparation of nickel and copper oxides-decorated graphene composite for simultaneous determination of dopamine, acetaminophen and tryptophan. Talanta, 2016, 146:114-121.
68. Liu CY, Liu ZY, Peng R, Zhong ZC. Quasireversible Process of Dopamine on Copper-Nickel Hydroxide Composite/Nitrogen DopedGraphene/Nafion Modified GCE and Its Electrochemical Application. J. Anal. Meth. Chem, 2014, 2014:724538.
69. Sheng ZH, Zheng XQ, Xu JY, Bao WJ, Wang FB, Xia XH. Electrochemical sensor based on nitrogen doped graphene: simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine and uric acid. Biosens. Bioelectron., 2012, 34(1):125-131.
70. Thanh TD, Balamurugan J, Lee SH, Kim NH, Lee JH. Effective seed-assisted synthesis of gold nanoparticles anchored nitrogen-doped graphene for electrochemical detection of glucose and dopamine. Biosens. Bioelectron., 2016, 81:259-267.
71. Madhu R, Veeramani V, Chen SM, Manikandan A, Lo AY, Chueh YL. Honeycomb-like Porous Carbon-Cobalt Oxide Nanocomposite for HighPerformance Enzymeless Glucose Sensor and
НАНОСИСТЕМЫ
Supercapacitor Applications. ACS Appl. Mat. Interf, 2015, 7(29):15812-15820.
72. Mousty C, Leroux F. LDHs as electrode materials for electrochemical detection and energy storage: supercapacitor, battery and (bio)-sensor. Rec. Pat. Nanotech, 2012, 6(3):174-192.
73. Liu Y, Jiao Y, Zhang Z, Qu F, Umar A, Wu X. Hierarchical SnO2 nanostructures made of intermingled ultrathin nanosheets for environmental remediation, smart gas sensor, and supercapacitor applications. ACS Appl. Mat. Interf., 2014, 6(3):2174-2184.
74. Must I, Johanson U, Kaasik F, Poldsalu I, Punning A, Aabloo A. Charging a supercapacitor-like laminate with ambient moisture: from a humidity sensor to an energy harvester. Phys. Chem. Chem. Phys, 2013, 15(24):9605-9614.
75. Meng JP, Gong Y, Lin Q, Zhang MM, Zhang P, Shi HF, Lin JH. Metal-organic frameworks based on rigid ligands as separator membranes in supercapacitor. Dalton Trans, 2015, 44(12):5407-5416.
76. Sales BB, Saakes M, Post JW, Buisman CJ, Biesheuvel PM, Hamelers HV. Direct power production from a water salinity difference in a membrane-modified supercapacitor flow cell. Ennr. Sci. TechnoL, 2010, 44(14):5661-5665.
77. Kiani MJ, Ahmadi MT, Karimi Feiz Abadi H, Rahmani M, Hashim A, Che Harun FK. Analytical modelling of monolayer graphene-based ion-sensitive FET to pH changes. Nanoscale Res. Lett., 2013, 8(1):173-1-173-9.
78. Johnson RN, Hanna GR. Membrane model: a single transistor analog of excitable membrane. J. Theor. Biol., 1969, 22(3):401-411.
79. Sibbald A, Covington AK, Carter RF. Simultaneous on-line measurement of blood K+, Ca2+, Na+, and pH with a four-function ChemFET integrated-circuit sensor. Clin. Chem., 1984, 30(1):135-137.
80. Sibbald A, Covington AK, Carter RF. Online patient-monitoring system for the simultaneous analysis of blood K+, Ca2+, Na+ and pH using a quadruple-function ChemFET integrated-circuit sensor.Med.Bi'ol.Eng.Comput.,1985,23(4):329-338.
81. Costa J, Fernandes M, Vieira M, Lavareda G, Karmali A. Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon
ChemFETs using a semi-empirical model. J. Nanosci. Nanotechnol., 2011, 11(10):8844-8847.
82. Sun G, Senapati S, Chang HC. High-flux ionic diodes, ionic transistors and ionic amplifiers based on external ion concentration polarization by an ion exchange membrane: a new scalable ionic circuit platform. Lab Chip., 2016, 16(7):1171-1177.
83. Mo Y, Wan Y, Chau A, Huang F. Graphene/ Ionic liquid composite films and ion exchange. Sci. Rep, 2014, 4:5466-1-5466-8.
84. Chen G, Zhai S, Zhai Y, Zhang K, Yue Q, Wang L, Zhao J, Wang H, Liu J, Jia J. Preparation of sulfonic-functionalized graphene oxide as ion-exchange material and its application into electrochemiluminescence analysis. Biosens. Bioelectron, 2011, 26(7):3136-3141.
85. Zhang S, Shao Y, Liu J, Aksay IA, Lin Y. Graphene-polypyrrole nanocomposite as a highly efficient and low cost electrically switched ion exchanger for removing ClO4- from wastewater. ACS Appl. Mat. Interf., 2011, 3(9):3633-3637.
86. Park JW, Park SJ, Kwon OS, Lee C, Jang J. Polypyrrole nanotube embedded reduced graphene oxide transducer for field-effect transistor-type H2O2 biosensor. Anal. Chem., 2014, 86(3):1822-1828.
87. Kwon OS, Park SJ, Hong JY, Han AR, Lee JS, Lee JS, Oh JH, Jang J. Flexible FET-type VEGF aptasensor based on nitrogen-doped graphene converted from conducting polymer. ACS Nano, 2012, 6(2):1486-1493.
88. Farid S, Meshik X, Choi M, Mukherjee S, Lan Y, Parikh D, Poduri S, Baterdene U, Huang CE, Wang YY, Burke P, Dutta M, Stroscio MA. Detection of Interferon gamma using graphene and aptamer based FET-like electrochemical biosensor. Biosens. Bioelectron., 2015, 71:294-299.
89. Park JW Park SJ, Kwon OS, Lee C, Jang J. Highperformance Hg2+ FET-type sensors based on reduced graphene oxide-polyfuran nanohybrids. Analyst, 2014, 139(16):3852-3855.
90. Park SJ, Kwon OS, Lee SH, Song HS, Park TH, Jang J. Ultrasensitive flexible graphene based field-effect transistor (FET)-type bioelectronic nose. Nano Lett., 2012, 12(10):5082-5090.
91. Worley BC, Kim S, Park S, Rossky PJ, Akinwande D, Dodabalapur A. Dramatic vapor-phase modulation of the characteristics of graphene
166 градов О.В., ГРАДОВА М.А.
НАНОСИСТЕМЫ
field-effect transistors. Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17(28):18426-18430.
92. Min M, Seo S, Lee J, Lee SM, Hwang E, Lee H. Changes in major charge transport by molecular spatial orientation in graphene channel field effect transistors. Chem. Commun., 2013, 49(56):6289-6291.
93. Strejckova A, Stanicova J, Jancura D, Miskovsky P, Bânô G. Spatial orientation and electric-field-driven transport of hypericin inside of bilayer lipid membranes. J. Phys. Chem. B., 2013, 117(5):1280-1286.
94. Shen J, Liu G, Huang K, Jin W, Lee KR, Xu N. Membranes with fast and selective gas-transport channels of laminar graphene oxide for efficient CO2 capture. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54(2):578-582.
95. Chen XC, Wei W Lv W, Su FY, He YB, Li B, Kang F, Yang QH. A graphene-based nanostructure with expanded ion transport channels for high rate Li-ion batteries. Chem. Commun, 2012, 48(47):5904-5906.
96. Sun P, Zhu M, Wang K, Zhong M, Wei J, Wu D, Xu Z, Zhu H. Selective ion penetration of graphene oxide membranes. ACS Nano, 2013, 7(1):428-437.
97. Sint K, Wang B, Kral P. Selective ion passage through functionalized graphene nanopores. J. Am. Chem. Soc, 2008, 130(49):16448-16449.
98. Boukhvalov DW, Virojanadara C. Penetration of alkali atoms throughout a graphene membrane: theoretical modeling. Nanoscale, 2012, 4(5):1749-1753.
99. He Z, Zhou J, Lu X, Corry B. Bioinspired graphene nanopores with voltage-tunable ion selectivity for Na+ and K+. ACS Nano, 2013, 7(11):10148-10157.
100. Grahame-Smith DG, Wang H. Comparison of the actions of lithium, rubidium, and caesium on rat brain 5-HT function: pharmacological implications of ion channel function. Clin. Neuropharmacol, 1992, 15(Suppl. 1):614A-615A.
101. Boccaccio A, Conti F, Olivera BM, Terlau H. Binding of kappa-conotoxin PVIIA to Shaker K+ channels reveals different K+ and Rb+ occupancies within the ion channel pore. J. Gen. Physiol, 2004, 124(1):71-81.
102. Mao G, Winokur MJ, Karasz FE. Dual alkali-metal-ion channel structures in
poly(p-phenylenevinylene). Phys. Rev. B: Cond. Matt, 1996, 53(2):R463-R467.
103. Miller C, Stahl N, Barrol M. A thermodynamic analysis of monovalent cation permeation through a K+-selective ion channel. Neuron, 1988, 1(2):159-164.
104. Billes F, Mohammed-Ziegler I, Mikosch H. Transportation behavior of alkali ions through a cell membrane ion channel. A quantum chemical description of a simplified isolated model. J. Mol. Model, 2012, 18(8):3627-3637.
105. Hilder TA, Gordon D, Chung SH. Synthetic chloride-selective carbon nanotubes examined by using molecular and stochastic dynamics. Biophys. J., 2010, 99(6):1734-1742.
106. Middleton RE, Pheasant DJ, Miller C. Homodimeric architecture of a ClC-type chloride ion channel. Nature, 1996, 383(6598):337-340.
107. Li Y, Yeo GF, Milne RK, Madsen BW, Edeson RO. Burst properties of a supergated double-barrelled chloride ion channel. Math. Biosa, 2000, 166(1):23-44.
108. Franco A, Winegar BD, Lansman JB. Open channel block by gadolinium ion of the stretch-inactivated ion channel in mdx myotubes. Biophys. J., 1991, 59(6):1164-1170.
109. Wang K, McIlvain B, Tseng E, Kowal D, Jow F, Shen R, Zhang H, Shan QJ, He L, Chen D, Lu Q, Dunlop J. Validation of an atomic absorption rubidium ion efflux assay for KCNQ/M-channels using the ion Channel Reader 8000. Assay Drug Dev. Technol, 2004, 2(5):525-534.
110. Massobrio G, Massobrio P, Martinoia S. Modeling the neuron-carbon nanotube-ISFET junction to investigate the electrophysiological neuronal activity. Nano Lett, 2008, 8(12):4433-4440.
111. Martinoia S, Massobrio P. ISFET-neuron junction: circuit models and extracellular signal simulations. Biosens. Bioelectron., 2004, 19(11):1487-1496.
112. Li Z, Wang C, Tian L, Bai J, Yao H, Zhao Y, Zhang X, Cao S, Qi W, Wang S, Shi K, Xu Y, Mingliang Z, Liu B, Qiu H, Liu J, Wu W, Wang X, Wenzhen A. An embryo of protocells: The capsule of graphene with selective ion channels. Sa. Rep., 2015, 5:10258-1-10258-14.
113. Li Z, Wang C, Tian L, Bai J, Yao H, Zhao Y, Zhang X, Cao S, Qi W, Wang S, Shi K, Xu
НАНОСИСТЕМЫ
Y, Mingliang Z, Liu B, Qiu H, Liu J, Wu W, Wang X, Wenzhen A. Corrigendum: An embryo of protocells: The capsule of graphene with selective ion channels. Sci. Rep., 2015, 5:12386.
114. Stillwell W Facilitated diffusion as a method for selective accumulation of materials from the primordial oceans by a lipid-vesicle protocell. Orig. Life, 1980, 10(3):277-292.
115. Liu J, Stace-Naughton A, Jiang X, Brinker CJ. Porous nanoparticle supported lipid bilayers (protocells) as delivery vehicles. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131(4):1354-1355.
116. Walde P. Building artificial cells and protocell models: experimental approaches with lipid vesicles. Bioessays, 2010, 32(4):296-303.
117. Li M, Huang X, Tang TY, Mann S. Synthetic cellularity based on non-lipid micro-compartments and protocell models. Curr. Opin. Chem. Biol, 2014, 22:1-11.
118. Koga S, Williams DS, Perriman AW, Mann S. Peptide-nucleotide microdroplets as a step towards a membrane-free protocell model. Nat. Chem., 2011, 3(9):720-724.
119. Li M, Harbron RL, Weaver JV, Binks BP, Mann S. Electrostatically gated membrane permeability in inorganic protocells. Nat. Chem, 2013, 5(6):529-536.
120. Cooper GJ, Kitson PJ, Winter R, Zagnoni M, Long DL, Cronin L. Modular redox-active inorganic chemical cells: iCHELLs. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2011, 50(44):10373-10376.
121. Kumar RK, Li M, Olof SN, Patil AJ, Mann S. Artificial cytoskeletal structures within enzymatically active bio-inorganic protocells. Small, 2013, 9(3):357-362.
122. Gupta VK. Emergence of photoautotrophic minimal protocell-like supramolecular assemblies, "Jeewanu" synthesied photo chemically in an irradiated sterilised aqueous mixture of some inorganic and organic substances. Orig. Life Evol. Biosph, 2014, 44(4):351-355.
123. Kaur G, Rath G, Heer H, Goyal AK. Optimization of protocell of silica nanoparticles using 32 factorial designs. AAPS PharmSciTech, 2012, 13(1):167-173.
124. Yasaei P, Kumar B, Hantehzadeh R, Kayyalha M, Baskin A, Repnin N, Wang C, Klie RF, Chen YP, Kral P, Salehi-Khojin A. Chemical sensing
with switchable transport channels in grapheme grain boundaries. Nat. Commun, 2014, 5:4911.
125. Rickhaus P, Liu MH, Makk P, Maurand R, Hess S, Zihlmann S, Weiss M, Richter K, Schönenberger C. Guiding of Electrons in a Few-Mode Ballistic Graphene Channel. Nano Lett., 2015, 15(9):5819-5825.
126. Cantele G, Lee YS, Ninno D, Marzari N. Spin channels in functionalized graphene nanoribbons. Nano Lett, 2009, 9(10):3425-3429.
127. Archer SJ, Ellena JF, Cafiso DS. Dynamics and aggregation of the peptide ion channel alamethicin. Measurements using spin-labeled peptides. Biophys. J., 1991, 60(2):389-398.
128. Perozo E, Cuello LG, Cortes DM, Liu YS, Sompornpisut P. EPR approaches to ion channel structure and function. Novartis Found Symp, 2002, 245:146-168.
129. Holt SA, Le Brun AP, Majkrzak CF, McGillivray DJ, Heinrich F, Lösche M, Lakey JH. An ion-channel-containing model membrane: structural determination by magnetic contrast neutron reflectometry. Soft Matter, 2009, 5(13):2576-2586.
130. Endeward B, Butterwick JA, MacKinnon R, Prisner TF. Pulsed electron-electron double-resonance determination of spin-label distances and orientations on the tetrameric potassium ion channel KcsA. J. Am. Chem. Soc, 2009, 131(42):15246-15250.
131. Dellisanti CD, Ghosh B, Hanson SM, Raspanti JM, Grant VA, Diarra GM, Schuh AM, Satyshur K, Klug CS, Czajkowski C. Site-directed spin labeling reveals pentameric ligand-gated ion channel gating motions. PLoS Biol., 2013, 11(11):e1001714, 1-14.
132. Mirsaidov U, Mokkapati VR, Bhattacharya D, Andersen H, Bosman M, Özyilmaz B, Matsudaira P. Scrolling graphene into nanofluidic channels. Lab Chip, 2013, 13(15):2874-2878.
133. Montenegro J, Ghadiri MR, Granja JR. Ion channel models based on self-assembling cyclic peptide nanotubes. Acc. Chem. Res., 2013, 46(12):2955-2965.
134. Mayer M, Semetey V, Gitlin I, Yang J, Whitesides GM. Using ion channel-forming peptides to quantify protein-ligand interactions. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(4):1453-1465.
168 ГРАДОВ О.В., ГРАДОВА М.А.
НАНОСИСТЕМЫ
135. Sanchez-Quesada J, Isler MP, Ghadiri MR. Modulating ion channel properties of transmembrane peptide nanotubes through heteromeric supramolecular assemblies. J. Am. Chem. Soc, 2002, 124(34):10004-10005.
136. Ichikawa T, Yoshio M, Hamasaki A, Mukai T, Ohno H, Kato T. Self-organization of room-temperature ionic liquids exhibiting liquid-crystalline bicontinuous cubic phases: formation of nano-ion channel networks. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129(35):10662-10663.
137. Cazacu A, Tong C, van der Lee A, Fyles TM, Barboiu M. Columnar self-assembled ureido crown ethers: an example of ion-channel organization in lipid bilayers. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128(29):9541-9548.
138. Nyitrai G, Keszthelyi T, Bôta A, Simon A, Toke O, Horvath G, Pal I, Kardos J, Héja L. Sodium selective ion channel formation in living cell membranes by polyamidoamine dendrimer. Biochim. Biophys. Acta., 2013, 1828(8):1873-1880.
139. Abhilash TS, De Alba R, Zhelev N, Craighead HG, Parpia JM. Transfer printing of CVD graphene FETs on patterned substrates. Nanoscale, 2015, 7(33):14109-14113.
140. Ping J, Wang Y, Ying Y, Wu J. Application of electrochemically reduced graphene oxide on screen-printed ion-selective electrode. Anal. Chem, 2012, 84(7):3473-3479.
141. Lukas M, Meded V, Vijayaraghavan A, Song L, Ajayan PM, Fink K, Wenzel W, Krupke R. Catalytic subsurface etching of nanoscale channels in graphite. Nat. Commun, 2013; 4:1379.
142. Choi BS, Kim SM, Gong J, Lee YW, Kang SW, Lee HS, Park JY, Han SW. One-pot self-templating synthesis of Pt hollow nanostructures and their catalytic properties for CO oxidation. Chemistry, 2014, 20(37):11669-11674.
143. Yang F, Zhou S, Wang H, Long S, Liu X, Kong Y. A metal-assisted templating route (S0M+I-) for fabricating thin-layer CoO covered on the channel of nanospherical-HMS with improved catalytic properties. Dalton Trans., 2016, 45(15):6371-6382.
144. Li Y, Guijarro N, Zhang X, Prévot MS, Jeanbourquin XA, Sivula K, Chen H, Li Y. Templating Sol-Gel Hematite Films with Sacrificial Copper Oxide: Enhancing Photoanode Performance with Nanostructure
and Oxygen Vacancies. ACS Appl. Mat. Interf., 2015, 7(31):16999-17007.
145. Martin JD, Keary CL, Thornton TA, Novotnak MP, Knutson JW, Folmer JC. Metallotropic liquid crystals formed by surfactant templating of molten metal halides. Nat. Mater, 2006, 5(4):271-275.
146. Moon GH, Shin Y, Choi D, Arey BW, Exarhos GJ, Wang C, Choi W, Liu J. Catalytic templating approaches for three-dimensional hollow carbon/graphene oxide nano-architectures. Nanoscale, 2013, 5(14):6291-6296.
147. Chaloin L, Mery J, Van Mau N, Divita G, Heitz F. Synthesis of a template-associated peptide designed as a transmembrane ion channel former. J. Pept. Sci., 1999, 5(9):381-391.
148. Wang Y, Ma S, Su Y, Han X. Palladium nanotubes formed by lipid tubule templating and their application in ethanol electrocatalysis. Chemistry 2015, 21(16):6084-6089.
149. Inesi G, Kirtley ME. Coupling of catalytic and channel function in the Ca2+ transport ATPase. J. Membr. Biol., 1990, 116(1):1-8.
150. Hsu CM, Rosen BP. Characterization of the catalytic subunit of an anion pump. J. Biol. Chem, 1989, 264(29):17349-17354.
151. Ramjeesingh M, Li C, Garami E, Huan LJ, Galley K, Wang Y, Bear CE. Walker mutations reveal loose relationship between catalytic and channel-gating activities of purified CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). Biochemistry, 1999, 38(5):1463-1468.
152. Csanady L, Vergani P, Gadsby DC. Strict coupling between CFTR's catalytic cycle and gating of its Cl- ion pore revealed by distributions of open channel burst durations. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2010, 107(3):1241-1246.
153. Bienengraeber M, Alekseev AE, Abraham MR, Carrasco AJ, Moreau C, Vivaudou M, Dzeja PP, Terzic A. ATPase activity of the sulfonylurea receptor: a catalytic function for the KATP channel complex. FASEB J., 2000, 14(13):1943-1952.
154. Park S, Lim BB, Perez-Terzic C, Mer G, Terzic A. Interaction of asymmetric ABCC9-encoded nucleotide binding domains determines KATP channel SUR2A catalytic activity. J. Proteome Res., 2008, 7(4):1721-1728.
НАНОСИСТЕМЫ
155. Behera RK, Theil EC. Moving Fe2+ from ferritin ion channels to catalytic OH centers depends on conserved protein cage carboxylates. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2014, 111(22):7925-7930.
156. Theil EC. Ferritin protein nanocages use ion channels, catalytic sites, and nucleation channels to manage iron/oxygen chemistry. Curr. Opin. Chem. Biol., 2011, 15(2):304-311.
157. Sakai N, Sorde N, Matile S. Synthetic catalytic pores. J. Am. Chem. Soc, 2003, 125(26):7776-7777.
158. Sharma V, Wikstrom M. The role of the K-channel and the active-site tyrosine in the catalytic mechanism of cytochrome c oxidase. Biochim. Biophys. Acta., 2016, 1857(8):1111-1115.
159. Chakrabarti N, Ing C, Payandeh J, Zheng N, Catterall WA, Pomes R. Catalysis of Na+ permeation in the bacterial sodium channel Na(V)Ab. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2013, 110(28):11331-11336.
160. Lim C, Dudev T. Potassium Versus Sodium Selectivity in Monovalent Ion Channel Selectivity Filters. Met. Ions Life Sci., 2016, 16:325-347.
161. Zacharias N, Dougherty DA. Cation-pi interactions in ligand recognition and catalysis. Trends Pharmacol Sci., 2002, 23(6):281-287.
162. Okamura Y. Lipids: PI couples voltage to catalysis. Nat. Chem. Biol., 2010, 6(5):315-316.
163. Kohout SC, Bell SC, Liu L, Xu Q, Minor DL, Isacoff EY. Electrochemical coupling in the voltage-dependent phosphatase Ci-VSP. Nat. Chem. Biol., 2010, 6(5):369-375.
164. Dhindwal S, Priyadarshini P, Patil DN, Tapas S, Kumar P, Tomar S, Kumar P. Ligand-bound structures of 3-deoxy-D-manno-octulosonate 8-phosphate phosphatase from Moraxella catarrhalis reveal a water channel connecting to the active site for the second step of catalysis. Acta Crystallogr. D: Biol. Crystallogr, 2015, 71(2):239-255.
165. Marti J, Nagy G, Gordillo MC, Guardia E. Molecular simulation of liquid water confined inside graphite channels: thermodynamics and structural properties. J. Chem. Phys., 2006, 124(9):94703-1-94703-7.
166. Thekkethala JF, Sathian SP. Thermal transpiration through single walled carbon nanotubes and graphene channels. J. Chem. Phys., 2013, 139(17):174712-1-174712-9.
167. Leung SS, Sindhikara D, Jacobson MP. Simple Predictive Models of Passive Membrane Permeability Incorporating Size-Dependent Membrane-Water Partition. J. Chem. Inf. Model, 2016, 56(5):924-929.
168. Kreida S, Tornroth-Horsefield S. Structural insights into aquaporin selectivity and regulation. Curr. Opin. Struct. Biol., 2015, 33:126-134.
169. Jang M, Trung TQ, Jung JH, Kim BY, Lee NE. Improved performance and stability of field-effect transistors with polymeric residue-free graphene channel transferred by gold layer. Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16(9):4098-4105.
170. Ramesh P, Itkis ME, Bekyarova E, Wang F, Niyogi S, Chi X, Berger C, de Heer W, Haddon RC. Electro-oxidized epitaxial graphene channel field-effect transistors with single-walled carbon nanotube thin film gate electrode. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132(41):14429-14436.
171. Li SL, Miyazaki H, Hiura H, Liu C, Tsukagoshi K. Enhanced logic performance with semiconducting bilayer graphene channels. ACS Nano, 2011, 5(1):500-506.
Градов Олег Валерьевич
к.ф.-м.н, с.н.с.
Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л.Тальрозе РАН 38/2, Ленинский просп., Москва 117829, Россия gradov@chph.ras.ru
Градова Маргарита Алексеевна
к.х.н, с.н.с.
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН 4, ул. Косыгина, Москва 119991, Россия gradova@chph.ras .т
HAHOCMCTEMbl
CAN GRAPHENE BILAYERS BE THE MEMBRANE MIMETIC MATERIALS? ION CHANNELS IN GRAPHENE-BASED NANOSTRUCTURES
Oleg V. Gradov
Institute of Energy Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, http://www.inepcp.ru
117829 Moscow, Russian Federation
gradov@chph.ras.ru
Margaret A. Gradova
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, http://www.chph.ras.ru 119991 Moscow, Russian Federation
Institute of Energy Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, http://www.inepcp.ru
117829 Moscow, Russian Federation
gradova@chph.ras.ru
Abstract. The prospects of application of graphene and related structures as the membrane mimetic materials, capable of reproducing several biomembrane functions up to the certain limit, are analyzed in the series of our papers. This paper considers the possibility of the ion channel function modeling using graphene and its derivatives. The physical mechanisms providing selective permeability for different membrane mimetic materials, as well as the limits of the adequate simulation of the transport, catalytic, sensing and electrogenic properties of the cell membrane ion channels using bilayered graphene-based structures are discussed.
Keywords: ion channels, graphene, channel mimetics, nanopores, kapillarchemie, size-dependent electrochemistry, electric double-layer capacitor, ISFET & ChemFET
PACS: 81.05.ue
Bibliography — 171 references RENSIT, 2016, 8(2):154-170
Received 14.11.2016 DOI: 10.17725/rensit.2016.08.154
