Spontan dannelse af biomimetik, nanoporøse membrankanaler

For første gang, spontan indsættelse af carbon nanorør (CNT'er) i naturlige såvel som syntetiske cellemembraner for at danne porer, der efterligner biologiske kanaler, er påvist. På trods af deres ekstremt enkle struktur, disse CNT-membranporer replikerer porins hovedfunktionelle adfærd (proteinbaserede biologiske kanaler), såsom selektiv transport af protoner, vand, ioner, og små molekyler.

Det forudsigelige design og oprettelse af robuste syntetiske membraner, der replikerer de meget effektive og selektive transportprocesser i biologiske kanaler, er et udfordrende mål. CNT poriner udviklet her er lovende biomimetiske platforme til nanofluidiske undersøgelser, opbygning af bioelektroniske grænseflader og syntetiske celler, og fungerer som nøglekomponenter til energieffektive membranbaserede separationssystemer.

For første gang, en proces til spontant at indsætte kulnanorør (CNT'er) i cellemembraner, både naturligt såvel som syntetisk, for at danne porer, der efterligner biologiske kanaler, er blevet påvist. Robust, syntetiske membraner, der replikerer de meget effektive og selektive transportprocesser i biologiske kanaler, er meget eftertragtede, men er ikke blevet realiseret endnu. CNT'er menes at være de bedste kandidater til at efterligne biologisk transport på grund af ligheden mellem deres indre porestruktur og de store biologiske kanaler og muligheden for, at baseret på beregningsmodeller, CNT'erne kunne selv indsættes i biologiske membraner. Imidlertid, skabelsen af ​​sådanne hybridmembranstrukturer har været en enestående udfordring.

Nu, et team ledet af forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory og inklusive forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California i Berkeley, og universitetet i Baskerlandet i Spanien har dannet en hybridmembran ved at oprette membrankanaler fra korte CNT'er. De fandt ud af, at CNT'er funktionaliserede med lipid (fede) molekyler spontant indsættes i cellemembraner, både naturligt og syntetisk. Vigtigere, indsættelse af de små CNT'er i levende cellevægge gav dem mulighed for at interagere direkte med et reelt biologisk system, noget ikke muligt med lange CNT'er.

Denne grænseflade gjorde det muligt at undersøge den grundlæggende fysik i nanoportransport ved hjælp af en model, der nærmere tilnærmede en ionkanal, og som efterligner transport i biologiske porer. På trods af deres ekstremt enkle struktur, disse membranporer reproducerer de vigtigste funktionelle adfærd for biologiske kanaler, såsom selektiv transport af protoner, vand, ioner, og små molekyler. CNT'erne påvirker ikke membranens integritet. Elektronmikroskopi afslørede, at indsættelse ikke er selektiv til en bestemt nanorørlængde. Desuden, en nær-vinkelret orientering af CNT'erne i membranen er stærkt foretrukket, i modsætning til tidligere simuleringsbaserede forudsigelser.

På trods af betydelige CNT -længdevariationer, transportegenskaberne af disse hybridmembraner, betegnet "CNT-poriner" (hvor udtrykket poriner refererer til proteinbaserede biologiske kanaler), er yderst veldefinerede, tyder kraftigt på, at transport gennem CNT -porerne kun styres af barriererne ved porens udgang og indgang. Ud over, nanoskala indeslutning af ioner i den smalle hydrofobe kanal giver anledning til ionstrømssvingninger, efterligner on-off gating-processen for iontransport, der forekommer i biologiske kanaler. Kumulativt, disse resultater peger på, at hybridmaterialerne har nyttige membranapplikationer. Disse applikationer inkluderer at tilbyde en platform for nanofluidiske undersøgelser, opbygning af bioelektroniske grænseflader og kunstige celler, og fungerer som nøglekomponenter til energieffektive membranseparationssystemer.