Afslører iontransport på nanoskala

EPFL-forskere har vist, at en fysiklov, der har at gøre med elektrontransport på nanoskala, også kan anvendes analogt på iontransport. Denne opdagelse giver indsigt i et nøgleaspekt af, hvordan ionkanaler fungerer i vores levende celler.

Membranen i alle menneskelige celler indeholder bittesmå kanaler, gennem hvilke ioner passerer igennem med høj hastighed. Disse ionkanaler spiller en grundlæggende rolle i, hvordan neuroner, især muskelceller og hjerteceller fungerer.

Ionkanaler er ekstremt komplekse, og mange spørgsmål forbliver ubesvarede. Hvordan vælger kanalerne de ioner, der får lov til at passere igennem? Hvad er årsagen til kanalernes høje ledningsevne?

Forskere i EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology, som ledes af Aleksandra Radenovic, har vist, at iontransport kunne beskrives ved en fysiklov kaldet Coulomb blokade. Dette fund er blevet offentliggjort i Naturmaterialer . Deres observation kunne forbedre vores forståelse af, hvordan disse kanaler fungerer.

En ø af ioner

For at udføre deres tests, forskerne skabte en kunstig ionkanal ved at lave et hul på mindre end en nanometer i et todimensionelt materiale molybdændisulfid. Derefter putter de dette materiale i en enhed bestående af to elektroder sammen med ionopløsning på hver side. Når de påførte en spænding, de var i stand til at måle variationer i strømmen mellem de to kamre. I modsætning til den konventionelle iontransport i større nanoporer (> 1 nm), hvor ionstrømmen aldrig stopper helt, de observerede ved lavspændingsenergigab - strimler uden nogen strøm - som viste, at ionerne blev holdt oppe i nanopore, indtil den påførte spænding var høj nok til at lette deres krydsning fra den ene side af hullet til den anden.

For at fortolke disse energigab, forskerne udførte andre tests, såsom at lege med væskens pH, som modulerer ladningen af ​​poren. Der blev også fundet pH-inducerede konduktansoscillationer. Alle disse målinger førte til den samme konklusion:måden, hvorpå ionerne transporteres, kan forklares i form af Coulomb-blokade, en fysiklov, der almindeligvis forbindes med elektrontransport i kvanteprikker.

Indtil nu, mekanismen karakteriseret ved Coulomb blokade blev observeret i elektronik, især i halvlederpartikler kaldet kvanteprikker, der tæt begrænser enten elektroner eller elektronhuller i alle tre rumlige dimensioner. Disse 'øer' er kun i stand til at rumme et vist antal elektroner, før de giver plads til de nytilkomne. Eksperimentet ledet af EPFL-forskere viste, at det samme fænomen skete med iontransport, når der var en nanopore involveret.

"En række teoretikere havde forudsagt, at Coulomb-blokade også kunne anvendes på ionkanaler. Vi var glade for at samarbejde om dette arbejde med prof. Massimiliano Di Ventra fra University of California, San Diego, " sagde Radenovic. "Og vi viste dem ret, ved at observere dette fænomen for første gang ved at bruge vores nanoporer." Jiandong Feng, artiklens hovedforfatter tilføjede:"Denne observation giver en masse information om, hvordan ioner bevæger sig gennem den sub-nanometer store nanopore, sætter scenen for fremtidige udforskninger af mesoskopisk iontransport."