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A highly-selective biomimetic potassium channel

钾通道 材料科学 生物 化学 生物物理学 有机化学
作者
Junliang Zhu,Hu Qiu,Wanlin Guo
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:11 (8): nwae242-nwae242 被引量:11
标识
DOI:10.1093/nsr/nwae242
摘要

ABSTRACT Reproducing the outstanding selectivity achieved by biological ion channels in artificial channel systems can revolutionize applications ranging from membrane filtration to single-molecule sensing technologies, but achieving this goal remains a challenge. Herein, inspired by the selectivity filter structure of the KcsA potassium channel, we propose a design of biomimetic potassium nanochannels by functionalizing the wall of carbon nanotubes with an array of arranged carbonyl oxygen atoms. Our extensive molecular dynamics simulations show that the biomimetic nanochannel exhibits a high K+ permeation rate along with a high K+/Na+ selectivity ratio. The free energy calculations suggest that the low Na+ permeability is the result of the higher energy barrier for Na+ than K+ at the channel entrance and ion binding sites. In addition, reducing the number of ion binding sites leads to an increase in the permeation rate but a decrease in selectivity. These findings not only hold promise for the design of high-performance membranes but also help understand the mechanism of selective ion transport in biological ion channels.
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