In hogere organismen, cellen en organellen zijn omgeven door een membraan, die een cruciale rol speelt bij het creëren van een barrière tegen de externe omgeving, maar ook bij het bemiddelen bij de uitwisseling van vloeistoffen, elektrolyten, eiwitten, en ander bruikbaar materiaal. Gebruikelijk, deze membranen zijn samengesteld uit waterafstotende lagen gevormd door lipidemoleculen, met verschillende 'transmembraan'-eiwitten ingebed in dit dubbellaagse vel. Deze eiwitten zijn zo samengesteld dat ze unieke 'poorten' of 'kanalen' creëren die onder specifieke omstandigheden openen en sluiten als reactie op selectieve moleculen of ionen. Deze eigenschappen van selectiviteit en detectiecapaciteit van een biologisch membraan komen voort uit de geavanceerde structuur, en samen maken ze deze membranen tot een aantrekkelijk model voor de synthese van nieuwe materialen die worden gebruikt om geavanceerde detectie- en scheidingsapparatuur te ontwikkelen. Echter, het kunstmatig ontwikkelen van dergelijke moleculaire assemblages - die zichzelf in een functioneel actieve oriëntatie in een membraan kunnen assembleren - is tot nu toe een uitdaging gebleven.

Het onderzoek naar kunstmatige moleculen bevorderen, in een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van Tokyo Tech ontwikkelden een synthetisch kanaal dat de ionentransporterende activiteit van natuurlijke ionenkanalen kan nabootsen. Prof Kazushi Kinbara en Prof Takahiro Muraoka, de co-auteurs van de studie, leg uit, "Een belangrijk obstakel dat de toepassing van kunstmatige transmembraanmoleculen beperkt, is het bereiken van de functioneel actieve oriëntatie. We hebben geprobeerd een transmembraanmolecuul te maken dat dit probleem zou overwinnen."

Om dit doel te bereiken, de wetenschappers concentreerden zich op de structuur van een biologisch ionkanaal dat het membraan meerdere keren overspant, en gebruikte het als basis om twee kunstmatige moleculen te ontwerpen. Deze moleculen waren samengesteld uit zowel waterafstotende structurele blokken, genaamd BPO-eenheid, en in water oplosbare delen die oligoethyleenglycolketens worden genoemd. Deze structurele kenmerken geven deze kunstmatige moleculen het vermogen om zichzelf te aggregeren wanneer ze in membranen zijn ingebed. De moleculen bevatten ook fosfaatgroepen die hen verder hielpen om de juiste oriëntatie over de membranen te bereiken.

Volgende, de wetenschappers concentreerden zich op een van de twee moleculen, om de structurele eigenschappen ervan te analyseren. Ze merkten op dat wanneer geschikte lokaasachtige 'ligand'-moleculen werden toegevoegd aan een oplossing die het kunstmatige molecuul bevat, ze bonden met succes aan de structuur en bevestigden dat de structuur inderdaad functioneel actief was. Bovendien, toen deze moleculen werden geïntroduceerd op een voorgevormd membraan, ze konden zichzelf op eigen kracht in het membraan plaatsen en oriënteren. In aanwezigheid van de specifieke liganden, de membraan-ingebedde macromoleculen veranderden hun structuren en transporteerden ionen, inclusief lithium, potassium, en natriumionen. Omdat het synthetische molecuul veelbelovende resultaten liet zien met kunstmatige membranen, de wetenschappers testten het vervolgens in levende cellen. Met behulp van een techniek genaamd fluorescentiemicroscopie, ze zagen dat het macromolecuul dezelfde functionele eigenschappen vertoonde, inclusief differentiële ligandbinding en gereguleerde ionentransportactiviteiten, ook in biologische membranen!

Bij elkaar genomen, de studie laat zien hoe een kunstmatig ontworpen molecuul zichzelf kan assembleren, lokaliseren, oriënteren, en bootsen het biologische ionentransportproces na. Deze bevindingen kunnen mogelijk leiden tot vooruitgang op het gebied van biomimetische regulatie. De auteurs concluderen optimistisch:"De veelbelovende resultaten van onze studie richtten zich op een aanhoudende beperking die het gebruik van kunstmatige biomimetische membraaneiwitten in toegepaste velden blokkeerde."