Enzymatic Reaction Enhanced Diffusion Accelerates Cargo Transport through Micro/Nano‐Channels

纳米技术 扩散 布朗运动 分子 催化作用 布朗动力学 纳米颗粒 材料科学 化学 分子扩散 化学物理 有机化学 物理 热力学 公制(单位) 运营管理 量子力学 经济
作者
Liying Wang,Dongdong Jin,Yixin Peng,Mohd Yasir Khan,Dongfang Zhao,Cheng‐Yan Xu,Wenjun Chen,Wei Wang,Xing Ma
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202403056
摘要

Abstract Energy conversion and transfer of enzyme‐catalyzed reactions at molecular level are an interesting and challenging scientific topic that helps understanding biological processes in nature. In this study, it is demonstrated that enzyme‐catalyzed reactions can enhance diffusion of surrounding molecules and thus accelerate cargo transport within 1D micro/nanochannels. Specifically, urease is immobilized on the inner walls of silica micro/nano‐tubes to construct bio‐catalytically active micro/nanochannels. The catalytic reaction inside the channels drives a variety of cargoes, including small dye molecules, polymers, and rigid nanoparticles (e.g., quantum dots, QDs), to pass through these micro/nanochannels much faster than they will by free diffusion. The enhanced diffusion of molecular species inside the channels is validated by direct observation of the Brownian motion of tracer particles, and further confirmed by significantly enhanced Raman intensity of reporter molecules. Finite element and Brownian dynamics simulations provide a theoretical understanding of these experimental observations. Furthermore, the effect of the channels’ size on the diffusion enhancement is examined. The acceleration effect of the cargo transport through these enzymatically active micro/nanochannels can be turned on or off via chemical activators or inhibitors. This study provides valuable insights on the design of biomimetic channels capable of controlled and efficient transmembrane transport.
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