Electronic control of H(+) current in a bioprotonic device with Gramicidin A and Alamethicin.
Electronic control of H(+) current in a bioprotonic device with Gramicidin A and Alamethicin.
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DOI：
10.1038/ncomms12981
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发表时间：
2016-10-07
影响因子：
16.6
通讯作者：
Rolandi, Marco
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hemmatian, Zahra;Keene, Scott;Josberger, Erik;Miyake, Takeo;Arboleda, Carina;Soto-Rodriguez, Jessica;Baneyx, Francois;Rolandi, Marco
在生物系统中，细胞间通讯是由膜蛋白和离子通道介导的，这些膜蛋白和离子通道调节离子和小分子跨细胞膜的运输。因此，具有控制离子流穿过支持的脂质双层（SLB）的离子通道的生物电子设备应该是与生物系统连接的理想选择。在这里，我们展示了一种具有 Pd 触点的生物-非生物生物质子装置，可调节穿过 SLB 的质子 (H+) 流，该 SLB 结合了短杆菌肽 A (gA) 和阿拉梅辛 (ALM) 离子通道。我们使用跨膜传输 Nernst-Planck 方程的 Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) 解对器件特性进行建模。我们推导了集成 gA 和 ALM 的 SLB 的渗透性，并证明 pH 控制是外加电压和膜渗透性的函数。这项工作为在 Pd 接触界面上集成更复杂的 H+ 通道打开了大门，以生产具有增强功能的响应性生物-非生物器件。 传统电子学使用电子作为电荷载体，而生物系统使用离子，混淆了电子学与生物学的整合。在这里，作者使用离子通道短杆菌肽 A 和电压门控离子通道 Alamethicin 展示了质子在支持的脂质双层上的电压调节流动。
In biological systems, intercellular communication is mediated by membrane proteins and ion channels that regulate traffic of ions and small molecules across cell membranes. A bioelectronic device with ion channels that control ionic flow across a supported lipid bilayer (SLB) should therefore be ideal for interfacing with biological systems. Here, we demonstrate a biotic–abiotic bioprotonic device with Pd contacts that regulates proton (H+) flow across an SLB incorporating the ion channels Gramicidin A (gA) and Alamethicin (ALM). We model the device characteristics using the Goldman–Hodgkin–Katz (GHK) solution to the Nernst–Planck equation for transport across the membrane. We derive the permeability for an SLB integrating gA and ALM and demonstrate pH control as a function of applied voltage and membrane permeability. This work opens the door to integrating more complex H+ channels at the Pd contact interface to produce responsive biotic–abiotic devices with increased functionality. Conventional electronics use electrons as charge carriers whereas biological systems use ions, confounding integration of electronics with biology. Here the authors show voltage-regulated flow of protons across a supported lipid bilayer using the ion channel Gramicidin A and the voltage-gated ion channel Alamethicin.
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