Syntetisk kanal med en stærk præference for kaliumioner tilbyder hurtig transport gennem kunstig membran

Kunstige ionkanaler udviklet af A*STAR-forskere kan bane vejen for nye former for antibakterielle midler og biomedicinske sensorer.

Ionkanaler er biokemiske motorveje, der gør det muligt for ioner af metaller som kalium og natrium at zoome ind og ud af celler. Afgørende, kanalerne er typisk meget selektive, kun tillader én type ion igennem og spærrer andre. For eksempel, den naturligt forekommende KcsA kaliumionkanal kan transportere 100 millioner ioner pr. og slipper kun én natriumion igennem for hver 10. 000 kaliumioner.

"Men proteinbaserede ionkanaler er dyre og svære at manipulere, " siger Huaqiang Zeng ved A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology. "Syntetiske versioner udvikles derfor til at efterligne og til sidst overgå de funktioner, der udvises af naturligt forekommende proteinkanaler." det har været vanskeligt at udvikle kunstige kanaler, der har en stærk selektivitet for kalium frem for natriumioner.

Zeng og kolleger har nu udviklet ionkanaler, der tilbyder hurtig kaliumiontransport, med en selektivitet, der er blandt de højeste rapporterede for nogen kunstig ionkanal. Kanalen er dannet af en række identiske molekyler, der stables oven på hinanden. Hvert molekyle indeholder tre komponenter. I den ene ende er en krone æter, en stor ring af carbon- og oxygenatomer; i midten er en aminosyre, som indeholder kemiske grupper, der gør det muligt for molekylerne at stable i et bestemt mønster; og i den anden ende er en lang, kulstofbaseret 'hale'. Disse molekyler kan samle sig selv, så kronetherringene står på linje og danner et rør, som fungerer som en ionkanal.

Forskerne skabte et bibliotek af molekyler ved hjælp af forskellige aminosyrer, forskellige længder af alkylkæder, og kroneethere, der indeholdt fem eller seks oxygenatomer. Så dannede de membraner fra de stablede kanaler, og testede deres iontransportegenskaber.

Den mest selektive kanal, de studerede, indeholdt en kroneether med fem oxygenatomer, en phenylalanin-aminosyre, og en alkylkæde indeholdende otte carbonatomer. Dette kunne transportere 30 millioner ioner i sekundet, og var omkring ti gange mere selektiv for kaliumioner end natriumioner. Dette giver en meget bedre ydeevne end tidligere kunstige kaliumionkanaler baseret på kroneethere eller andre molekylære stilladser.

Molekylernes tre komponenter kan let ændres for at finjustere kanalernes egenskaber, så Zeng er optimistisk om, at hans hold kan forbedre deres præstationer yderligere. De håber at teste deres optimerede systemer i medicinske applikationer, såsom antibakterielle midler eller hårvækstfremmere.