Kunstmatige ionenkanalen ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe soorten antibacteriële middelen en biomedische sensoren.

Ionenkanalen zijn biochemische supersnelwegen waarmee ionen van metalen zoals kalium en natrium in en uit cellen kunnen zoomen. Cruciaal, de kanalen zijn doorgaans erg selectief, slechts één type ion doorlaten en andere blokkeren. Bijvoorbeeld, het natuurlijk voorkomende kaliumionenkanaal KcsA kan 100 miljoen ionen per seconde transporteren, en laat slechts één natriumion door voor elke 10, 000 kaliumionen.

"Maar op eiwitten gebaseerde ionkanalen zijn duur en moeilijk te manipuleren, ", zegt Huaqiang Zeng van het A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology. "Er worden daarom synthetische versies ontwikkeld om de functies van natuurlijk voorkomende eiwitkanalen na te bootsen en uiteindelijk te overtreffen." het was moeilijk om kunstmatige kanalen te ontwikkelen die een sterke selectiviteit hebben voor kalium boven natriumionen.

Zeng en collega's hebben nu ionenkanalen ontwikkeld die snel kaliumionentransport bieden, met een selectiviteit die behoort tot de hoogste gerapporteerd voor een kunstmatig ionenkanaal. Het kanaal is gevormd uit een reeks identieke moleculen die op elkaar zijn gestapeld. Elk molecuul bevat drie componenten. Aan het ene uiteinde is een kroonether, een grote ring van koolstof- en zuurstofatomen; in het midden is een aminozuur, die chemische groepen bevat waardoor de moleculen in een specifiek patroon kunnen worden gestapeld; en aan de andere kant is een lange, op koolstof gebaseerde 'staart'. Deze moleculen kunnen zichzelf assembleren, zodat de kroonetherringen op één lijn liggen om een ​​buis te vormen, dat fungeert als een ionkanaal.

De onderzoekers creëerden een bibliotheek van moleculen met behulp van verschillende aminozuren, verschillende lengtes van alkylketens, en kroonethers die vijf of zes zuurstofatomen bevatten. Daarna vormden ze membranen van de gestapelde kanalen, en testten hun ionentransporteigenschappen.

Het meest selectieve kanaal dat ze bestudeerden bevatte een kroonether met vijf zuurstofatomen, een fenylalanine-aminozuur, en een alkylketen die acht koolstofatomen bevat. Dit zou 30 miljoen ionen per seconde kunnen transporteren, en was ongeveer tien keer selectiever voor kaliumionen dan natriumionen. Dit biedt veel betere prestaties dan eerdere kunstmatige kaliumionkanalen op basis van kroonethers of andere moleculaire steigers.

De drie componenten van de moleculen kunnen gemakkelijk worden gewijzigd om de eigenschappen van de kanalen te verfijnen, dus Zeng is optimistisch dat zijn team hun prestaties verder kan verbeteren. Ze hopen hun geoptimaliseerde systemen te testen in medische toepassingen, zoals antibacteriële middelen of haargroeibevorderaars.