Forskere efterligner først naturens vitale kaliumionkanal

(Phys.org) -- Et internationalt hold af videnskabsmænd, herunder kemiker Xiao Cheng Zeng fra University of Nebraska-Lincoln, har skabt, hvad der i virkeligheden er en sigte i nanoskala, der er meget selektiv med hensyn til, hvad den vil tillade at passere igennem - og fungerer stort set på samme måde som kaliumionkanalerne, der er vitale komponenter i stort set alle levende celler.

Det er også det første syntetiske nanorør, der har en ensartet diameter, samt at være selvsamlende og hydrofobisk, egenskaber, der kan føre til industrielle og medicinske gennembrud.

"Dette nanorør kan ses som en stak af mange, mange ringe, " sagde Zeng, Ameritas University professor i kemi. "Ringene samles gennem en proces kaldet selvsamling, og det er meget præcist. Det er det første syntetiske nanorør, der har en meget ensartet diameter. Det er faktisk et sub-nanometer rør. Det er omkring 8,8 ångstrøm."

I levende celler, ionkanaler tillader kaliumioner at passere gennem cellemembraner, men lad ikke natriumioner komme igennem, selvom kaliumionen (atomvægt 39) er næsten 70 procent større end natrium (atomvægt 23).

"Vi fandt en helt anden kaliumkanal, " sagde Zeng. "Det er den samme funktion, men det er helt anderledes end Moder Natur. Vi, muligvis for første gang, efterlignede Moder Naturs kaliumpore ved at bruge en ensartet subnanometerpore, men hvorfor den større ion kan gå igennem, og den mindre ikke kan, er stadig under undersøgelse."

Zengs forskningsgruppe ved UNL brugte UNL's Holland Computing Center med finansiering fra National Science Foundation og Nebraska Research Initiative til at udføre beregninger, der undersøger strukturen af ​​rørene. Hans gruppe bestemte størrelsen på ringene og afstanden mellem dem for at finde strukturen af ​​enhederne, og fandt otte mulige måder at stable molekylerne på. Afgørende, Beregninger viste også, at strukturerne er stabile ved stuetemperatur.

Bing Gong, professor i kemi ved universitetet i Buffalo og Beijing Normal University, en mangeårig samarbejdspartner for Zeng, og Zhifeng Shao, executive dekan for Center for System Biomedicine ved Shanghai Jiao Tong University og tidligere mangeårigt fakultetsmedlem ved University of Virginia School of Medicine, og deres hold, syntetiserede nanorørene og målte ionstrømmen, færdiggørelse af et treårigt projekt finansieret for en stor del af NSF. Røntgenarbejde blev udført ved Advanced Photon Source på Argonne National Laboratory i Argonne, Ill. Zengs forskningsgruppe ved UNL omfatter postdoc-stipendiater Hui Li og Yi Gao.

Forsøgenes succes, Zeng sagde, vil føre til fortsat forskning og udvikling.

"Én ting, folk er interesseret i på dette område, er afsaltning. En anden er medicinudlevering, " sagde han. "I fremtiden, vores retning, også støttet af NSF, er at funktionalisere rørets indervæg.

"For nu, i det mindste, det er et meget spændende nanorør, fordi det har, hvad vi kalder selektiv iontransport, hvilket er meget specielt. Kun kalium kan gå ind. Det går igennem og natrium kan ikke. Men, forhåbentlig, hvis vi kan tilføje en anden funktion indeni, og nogle gange kan vi kun tillade vand at gå igennem, eller nogle andre ioner at gå igennem, vi kan tilføje flere selektiviteter."

Resultaterne blev rapporteret i 17. juli-udgaven af Naturkommunikation , Nature Publishing Groups online-kun multidisciplinære tidsskrift for forskning inden for alle områder af den biologiske, fysiske og kemiske videnskaber.