Forskere kanaliserer grafen for at forstå filtrering og iontransport ind i celler

Små porer ved en celles indgang fungerer som miniatureudsmider, lukker nogle elektrisk ladede atomer ind – ioner – men blokerer andre. Fungerer som udsøgt følsomme filtre, disse "ionkanaler" spiller en afgørende rolle i biologiske funktioner såsom muskelsammentrækning og affyring af hjerneceller. For hurtigt at transportere de rigtige ioner gennem cellemembranen, de små kanaler er afhængige af et komplekst samspil mellem ionerne og de omgivende molekyler, især vand, der har affinitet til de ladede atomer. Men disse molekylære processer har traditionelt været svære at modellere – og derfor at forstå – ved hjælp af computere eller kunstige strukturer.

Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har vist, at porer i nanometerskala ætset ind i lag af grafen - atomisk tynde plader af kulstof kendt for deres styrke og ledningsevne - kan give en simpel model for den komplekse drift af ionkanaler.

Denne model giver forskere mulighed for at måle en lang række egenskaber relateret til iontransport. Ud over, graphene nanopores kan i sidste ende give videnskabsmænd effektive mekaniske filtre, der er egnede til processer som fjernelse af salt fra havvand og identifikation af defekt DNA i genetisk materiale.

NIST videnskabsmand Michael Zwolak, sammen med Subin Sahu (som i fællesskab er tilknyttet NIST, University of Maryland NanoCenter og Oregon State University), har også opdaget en måde at simulere aspekter af ionkanaladfærd, mens de tager højde for så beregningsintensive detaljer som molekylærskalavariationer i kanalens størrelse eller form.

For at presse gennem en celles ionkanal, som er en samling af proteiner med en pore kun få atomer bred, ioner skal miste nogle eller alle de vandmolekyler, der er bundet til dem. Imidlertid, mængden af ​​energi, der kræves for at gøre det, er ofte uoverkommelig, så ioner har brug for noget ekstra hjælp. Den hjælp får de fra selve ionkanalen, som er foret med molekyler, der har modsat ladninger til visse ioner, og er dermed med til at tiltrække dem. I øvrigt, arrangementet af disse ladede molekyler giver en bedre pasform for nogle ioner kontra andre, skabe et meget selektivt filter. For eksempel, visse ionkanaler er foret med negativt ladede molekyler, der er fordelt på en sådan måde, at de nemt kan rumme kaliumioner, men ikke natriumioner.

Det er ionkanalernes selektivitet, som forskerne ønsker at forstå bedre, både for at lære, hvordan biologiske systemer fungerer, og fordi driften af ​​disse kanaler kan foreslå en lovende måde at konstruere ikke-biologiske filtre til en lang række industrielle anvendelser.

Ved at vende sig til et enklere system - grafen nanopores - Zwolak, Sahu, og Massimiliano Di Ventra fra University of California, San Diego, simulerede forhold, der ligner aktiviteten af ​​faktiske ionkanaler. For eksempel, holdets simuleringer viste for første gang, at nanoporer kunne laves til kun at tillade nogle ioner at rejse gennem dem ved at ændre diameteren af ​​nanoporerne, der er ætset i et enkelt ark grafen, eller ved at tilføje yderligere ark. I modsætning til biologiske ionkanaler, imidlertid, denne selektivitet kommer kun fra fjernelse af vandmolekyler, en proces kendt som dehydrering.

Graphene nanopores vil gøre det muligt at måle denne dehydreringsselektivitet under en række forhold, endnu en ny bedrift. Forskerne rapporterede deres resultater i de seneste numre af Nano bogstaver og Nanoskala .

I to andre fortryk, Zwolak og Sahu adresserer noget af kompleksiteten i at simulere ioners indsnævring og transport gennem nanopore-kanalerne. Når teoretikere simulerer en proces, de vælger en vis størrelse "boks", hvori de udfører disse simuleringer. Kassen kan være større eller mindre, afhængig af beregningens bredde og detaljer. Forskerne viste, at hvis dimensionerne af simuleringsvolumenet er valgt således, at forholdet mellem volumenets bredde og dets højde har en særlig numerisk værdi, så kan simuleringen samtidig fange indflydelsen af ​​den omgivende ioniske opløsning og sådanne tornede detaljer som nanoskalaudsving i porernes diameter eller tilstedeværelsen af ​​ladede kemiske grupper. Denne opdagelse - som holdet kalder "det gyldne aspektforhold" for simuleringer - vil i høj grad forenkle beregninger og føre til en bedre forståelse af ionkanalernes funktion, sagde Zwolak.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.