Kleine poriën bij de ingang van een cel fungeren als miniatuuruitsmijters, sommige elektrisch geladen atomen - ionen - binnenlaten, maar andere blokkeren. Werkend als uiterst gevoelige filters, deze "ionkanalen" spelen een cruciale rol in biologische functies zoals spiercontractie en het afvuren van hersencellen. Om de juiste ionen snel door het celmembraan te transporteren, de kleine kanalen zijn afhankelijk van een complex samenspel tussen de ionen en de omringende moleculen, vooral water, die affiniteit hebben met de geladen atomen. Maar deze moleculaire processen zijn van oudsher moeilijk te modelleren - en dus te begrijpen - met behulp van computers of kunstmatige structuren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben aangetoond dat poriën op nanometerschaal geëtst in lagen grafeen - atomair dunne koolstofplaten die bekend staan ​​om hun sterkte en geleidbaarheid - een eenvoudig model kunnen bieden voor de complexe werking van ion kanalen.

Met dit model kunnen wetenschappers een groot aantal eigenschappen meten die verband houden met ionentransport. In aanvulling, grafeen nanoporiën kunnen wetenschappers uiteindelijk voorzien van efficiënte mechanische filters die geschikt zijn voor processen zoals het verwijderen van zout uit oceaanwater en het identificeren van defect DNA in genetisch materiaal.

NIST-wetenschapper Michael Zwalak, samen met Subin Sahu (die gezamenlijk is aangesloten bij NIST, de Universiteit van Maryland NanoCenter en Oregon State University), heeft ook een manier ontdekt om aspecten van het gedrag van ionenkanalen te simuleren, rekening houdend met rekenintensieve details zoals variaties op moleculaire schaal in de grootte of vorm van het kanaal.

Om door het ionkanaal van een cel te persen, wat een verzameling eiwitten is met een porie van slechts enkele atomen breed, ionen moeten sommige of alle watermoleculen die eraan gebonden zijn, verliezen. Echter, de hoeveelheid energie die hiervoor nodig is, is vaak onbetaalbaar, dus ionen hebben wat extra hulp nodig. Die hulp krijgen ze van het ionenkanaal zelf, die is bekleed met moleculen die tegengestelde ladingen hebben aan bepaalde ionen, en helpt ze zo aan te trekken. Bovendien, de rangschikking van deze geladen moleculen zorgt voor een betere pasvorm voor sommige ionen dan voor andere, het creëren van een zeer selectief filter. Bijvoorbeeld, bepaalde ionkanalen zijn bekleed met negatief geladen moleculen die zo zijn verdeeld dat ze gemakkelijk kaliumionen kunnen opnemen, maar geen natriumionen.

Het is de selectiviteit van ionenkanalen die wetenschappers beter willen begrijpen, zowel om te leren hoe biologische systemen werken als omdat de werking van deze kanalen een veelbelovende manier zou kunnen zijn om niet-biologische filters te ontwikkelen voor tal van industriële toepassingen.

Door zich te wenden tot een eenvoudiger systeem - grafeen nanoporiën - Zwolak, Sahu, en Massimiliano Di Ventra van de Universiteit van Californië, San Diego, gesimuleerde omstandigheden die lijken op de activiteit van werkelijke ionenkanalen. Bijvoorbeeld, de simulaties van het team toonden voor het eerst aan dat nanoporiën kunnen worden gemaakt om slechts enkele ionen door hen heen te laten reizen door de diameter van de nanoporiën die in een enkel vel grafeen zijn geëtst te veranderen of door extra vellen toe te voegen. In tegenstelling tot biologische ionkanalen, echter, deze selectiviteit komt alleen door de verwijdering van watermoleculen, een proces dat uitdroging wordt genoemd.

Met grafeen-nanoporiën kan deze selectiviteit die alleen uitdroging tot stand brengt onder verschillende omstandigheden worden gemeten. weer een nieuwe prestatie. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in recente nummers van Nano-letters en nanoschaal .

In twee andere voordrukken, Zwolak en Sahu pakken een deel van de complexiteit aan bij het simuleren van de vernauwing en het transport van ionen door de nanoporiënkanalen. Wanneer theoretici een proces simuleren, ze kiezen een "doos" van een bepaalde grootte waarin ze die simulaties uitvoeren. De doos kan groter of kleiner zijn, afhankelijk van de breedte en detail van de berekening. De onderzoekers toonden aan dat als de afmetingen van het simulatievolume zo worden gekozen dat de verhouding van de breedte van het volume tot de hoogte een bepaalde numerieke waarde heeft, dan kan de simulatie tegelijkertijd de invloed van de omringende ionische oplossing vastleggen en netelige details zoals fluctuaties op nanoschaal in de diameter van de poriën of de aanwezigheid van geladen chemische groepen. Deze ontdekking - die het team 'de gouden aspectverhouding' voor simulaties noemt - zal berekeningen aanzienlijk vereenvoudigen en leiden tot een beter begrip van de werking van ionenkanalen, zei Zwalak.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.