Лабораторные исследования нанопор. С момента открытия биологических ионных каналов и их роли в физиологии ученые пытались создать искусственные структуры, имитирующие их биологические аналоги.

Твердотельная нанопора, украшенная краун-эфиром и ДНК, селективна к ионам калия по сравнению с ионами натрия. Фото: Райан Чен / LLNL

Новое исследование ученых и сотрудников Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) из Калифорнийского университета в Ирвине показывает, что синтетические твердотельные нанопоры могут иметь точно настроенное поведение при транспортировке, очень похожее на биологические каналы, которые позволяют нейрону срабатывать.

В биологических ионных каналах два наиболее захватывающих свойства — способность реагировать на внешние раздражители и различать два иона с одинаковым зарядом, таких как натрий и калий.

Хорошо известно, что синтетические нанопоры могут различать положительные и отрицательные ионы (такие как калий и хлорид), но в новом исследовании команда смогла различить ионы натрия и калия, несмотря на их одинаковый заряд и почти одинаковый размер. Калий-селективные каналы показали токи, которые были примерно в 80 раз больше для ионов калия, чем ионов натрия, значительно выше, чем любая другая искусственная система, и впервые для твердотельных нанопор.

«Мы можем использовать наши синтетические платформы, чтобы лучше понять, как работают биологические системы», — сказал Стивен Бухсбаум, научный сотрудник LLNL и ведущий автор статьи, опубликованной в выпуске Science Advances от 8 февраля . «Проведение исследований на искусственных системах, построенных с нуля, может дать уникальное представление о том, как функционируют эти поры и лежащие в их основе физические явления».

Профессор и сотрудник UCI Зузанна Сиви сказала, что наиболее интересным применением нанопор является их использование в качестве строительного блока для создания искусственных биомиметических систем, таких как искусственный нейрон.

Биология использует ионную селективность, чтобы обеспечить накопление энергии в виде химического потенциала через клеточную мембрану. Затем эта энергия может быть задействована в последующих процессах, таких как передача нервных сигналов. «Способность делать то же самое в искусственных материалах приближает нас к созданию синтетических биомиметических компонентов», — сказал Сиви.

Способность различать ионы, которые очень похожи друг на друга, также может быть применена к таким областям, как опреснение / фильтрация и биосенсирование.

«Работа с синтетическими нанопорами предлагает преимущества расширенного контроля над дизайном пор и использованием материалов, которые намного более надежны, чем те, которые можно увидеть в биологии», — говорит Франческо Форнасьеро, штатный ученый и соавтор LLNL. «Это может позволить нам в конечном итоге заменить или отремонтировать биологические материалы с искусственными версиями, которые превосходят их биологические аналоги».

По материалам phys.org