전기 장어에서 영감을 얻은 모방 이온 발전

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전기 장어에서 영감을 얻은 모방 이온 발전

  

더 큰 K+(이온 반경: 1.3Å)는 생물학적 칼륨 이온 채널을 통해 더 큰 Na+(이온 반경: 1.0Å)를 선택적으로 투과할 수 있으며, 선택성 비율이 1000배 이상 높다. 과학자들은 수십 년 동안 인공 시스템에서 이와 유사한 경이로움을 재현하려고 노력해 왔지만 자연 단백질 채널에서 발견되는 미세한 이온 구별을 따라잡지 못했다. 현재의 인공 칼륨 채널은 일반적으로 K+/Na+ 선택성 비율이 40배 미만이다.

( 위) KcsA 칼륨 채널의 선택성 필터의 분자 구조. 인접한 카르보닐 고리는 27도 회전을 나타낸다. 이 구조적 특징에 착안하여 카르보닐 고리가 꼬인 이중층 그래핀 옹스트롬 기공을 인공 칼륨 채널로 설계하고 그 안에서 엄격한 Na+/K+ 선택성을 발견했다. (아래) 전기뱀장어 모방 이온 발전의 진화. 이미지 크레딧: 웨이 구오

 

연구팀은 12Å 길이의 4중 대칭 관형 선택성 필터인 생물학적 KcsA 칼륨 채널의 원자 구조를 재검토하여 칼륨 이온 결합 부위 역할을 하는 4개의 주기적 카르보닐 고리 층에서 놀라운 K+/Na+ 선택성이 파생된다는 사실을 발견했다.

 

두 개의 인접한 카르보닐 고리가 정확히 겹치지 않는다는 점이 주목할 만하다. 대신 아미노산의 이면체 각도가 27도 이상의 회전을 일으킨다. 매우 강력한 K+/Na+ 선택성은 오랫동안 무시되어 왔지만 인공 칼륨 채널을 만드는 데 사용된 적이 없는 회전하는 카르보닐 고리의 구조적 특성에 의해 뒷받침된다.

 

이 설계 접근법에 따라 과학자들은 이중층 그래핀 시트에 옹스트롬 크기의 기공을 성장시키고 두 기공 가장자리를 카르보닐기 꼬임 고리로 장식한다. 최대 1295배의 동적 K+/Na+ 선택성 비율을 가진 인공 이온 채널은 원하지 않는 Na+의 수송을 효과적으로 차단할 수 있다. K+ 전도 속도는 3.5×107 이온/s에 가깝거나 생물학적 시스템에서 발견되는 칼륨 이온 채널의 약 40%에 해당한다.

 

K+ 투과 이벤트의 원자 궤적은 이중 이온 수송 메커니즘을 보여주며, 이는 성공적인 K+ 투과에는 최소 두 개의 칼륨 이온이 포함되어야 함을 의미한다.

 

이중층 나노 기공 출구에서 K+가 방출되는 것은 입구의 다른 K+로부터의 부드러운 노크온 과정을 통해 이루어지며, 이는 이전에는 생물학적 이온 채널에서만 볼 수 있었던 현상이다. 그래핀 층 사이에 하나 또는 두 개의 수화물 물 분자에 의해 K-nH2O-K 삼중체가 형성되면 시너지 작용이 촉진된다.

 

생물학적 시스템의 원리에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 것 외에도 칼륨에 대한 높은 선택성을 가진 엔지니어링된 이온 채널은 자연에서는 불가능했던 새로운 응용 분야를 가능하게 한다.

 

연구진은 개념 증명 데모로 이온 전력을 수확하는 새로운 방법을 제안한다: 이중층 옹스트롬 기공을 통해 동일한 농도의 전해질 용액을 혼합하는 것이다. 이론적으로 이 생체 모방 장치는 1% 미만의 다공성을 가진 그래핀 시트를 생산하면서도 약 1200W/m2의 매우 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다.

 

특히, 칼륨-투과성(PoPee-OPG)에 의해 촉진되는 삼투압 발전은 전기뱀장어의 전기세포가 에너지를 변환하는 방식과 매우 유사하다(이미지 참조). 첫째, 동일한 총 이온 강도를 가진 용액을 사용하여 PoPee-OPG를 실행할 수 있다. 반면, 현재 사용 중인 염분 구배 발전(SGPG)은 필요한 희석 용액으로 인해 성능이 제한된다.

 

세포막을 가로지르는 삼투압의 평형 때문에 전기뱀장어의 체액에는 실제로 저농도 영역이 존재하지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다. PoPee-OPG의 눈에 띄는 향상은 이온 전원의 내부 저항을 크게 줄여 높은 출력을 가능하게 하는 것과 비슷하다. 이러한 관점에서 볼 때, 전기뱀장어 모방 에너지 변환은 PoPee-OPG에 의해 개선되었다.

 

이 논문의 독특한 기공 구조와 작동 원리는 아직 이론적이지만, 적층 그래핀 또는 이중층 공유 유기 프레임워크 구성 요소와 같은 재료를 사용하여 고도로 선택적인 멤브레인을 만드는 데 도움이 될 수 있다.

 

전반적으로 생체 모방 설계는 천연 단백질의 놀라운 특성을 인간이 설계한 시스템에 통합함으로써 화학 분리, 이온 배터리, 정수 등 다양한 응용 분야에 대한 청사진을 제시한다.

 

저널 참조

Li, J., 외. (2023) 차세대 전기-엘 모방 이온 발전을 위한 엄격한 K+/Na+ 선택성을 가진 인공 이온 채널 설계. 내셔널 사이언스 리뷰.

https://academic.oup.com/nsr/article/10/12/nwad260/7288669?login=false