Geïntrigeerd door de eigenschappen van ionkanaaleiwitten die vaak in cellen worden waargenomen, hebben Tokyo Tech-onderzoekers het eerste synthetische mechanosensitieve kaliumkanaal ontwikkeld met behulp van een nieuw ontwikkeld aromatisch gefluoreerd amfifiel cyclofaan. Hun nieuwe ionenkanaal, dat zowel "stimuli-responsiviteit" als "selectieve ionentransport" -capaciteiten vertoont, zou nieuwe deuren kunnen openen voor het toekomstige therapeutische en industriële gebruik van synthetische mechanosensitieve kanalen.

De natuur inspireert de mensheid op talloze manieren. Neem bijvoorbeeld "stimuli-responsieve" ionentransportkanaaleiwitten. Deze eiwitten worden gevonden ingebed in celmembranen en reageren op een verscheidenheid aan externe stimuli, waaronder licht, pH en mechanische kracht. Gezien hun cruciale rol in verschillende biologische processen, hebben onderzoekers geprobeerd de kunstmatige versies van deze kanaaleiwitten te synthetiseren voor gebruik in therapeutische en industriële omgevingen. Succes bij het synthetiseren ervan was echter ongrijpbaar. De complexe structurele vereisten voor responsiviteit van stimuli en specifieke ionentransporteigenschappen zijn geïdentificeerd als de belangrijkste belemmering in hun synthese.

Om deze moeilijkheden te overwinnen, hebben onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), geleid door universitair docent Kohei Sato en hoogleraar Kazushi Kinbara, onlangs het eerste synthetische mechanosensitieve (reagerend op mechanische kracht) kanaal met kaliumionselectiviteit ontwikkeld. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society .

Over de studie gesproken, Assist. Prof. Sato en Prof. Kinbara, verbonden aan de School of Life Science and Technology aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), zeggen:"Met onze ervaring in het ontwerpen van amfifielen met meerdere blokken die zichzelf assembleren om supramoleculaire ionkanalen te vormen, veronderstelden we dat lineaire amfifielen waren niet geschikt voor het transporteren van specifieke ionen; daarom hebben we geprobeerd structurele modificaties aan te brengen om zowel de responsiviteit van de stimuli als de ionselectiviteit op te nemen."

De onderzoekers hebben de structuur van een complex organisch molecuul, bekend als een multiblok-amfifiel, aangepast om een ​​geperfluoreerde aromatische eenheid op te nemen. De resulterende structuur, een gefluoreerd amfifiel cyclofaan, bevatte hydrofobe geperfluoreerde oligo(fenyleen-ethynyleen) eenheden en hydrofiele octa(ethyleenglycol) linkers. De onderzoekers ontwierpen ook een gedeeltelijk gefluoreerde en een niet-gefluoreerde amfifiele cyclofaan om de impact van aromatische fluorering te onderzoeken.

Microscopie onthulde dat zowel het geperfluoreerde cyclofaan, genaamd C_FF, en het gedeeltelijk gefluoreerde cyclofaan, genaamd C_FH , zou kunnen worden opgenomen in het lipide dubbellaagsmembraan, terwijl het niet-gefluoreerde cyclofaan dat niet zou kunnen. De onderzoekers analyseerden vervolgens de ionentransporteigenschap, het reactievermogen van de stimuli en de kaliumionselectiviteit van C_FF en C_FH met behulp van geleidbaarheidsmetingen, fluorescentie-assays en computationele studies. Ze ontdekten dat zowel C_FF en C_FH zelf-geassembleerd in het dubbellaagse membraan om supramoleculaire ionkanalen te vormen. Bovendien bevestigde de stroomstroom over het membraan de transmembraan-ionentransporteigenschap van zowel C_FF en C_FH , efficiënter en uitgesprokener in C_FF .

Veranderingen in de stroomstroom bij het toepassen van membraanspanning bevestigden verder de responsiviteit van de stimuli van de kanalen gevormd door C_FF en C_FH . De ionentransporteigenschap van C_FF werd aanzienlijk beïnvloed, terwijl het niet veel veranderde voor C_FH . Helpen. Prof. Sato, Prof. Kinbara en hun team schrijven deze variaties toe aan de differentiële interactie van de aromatische eenheden van C_FH en C_FF binnen het membraan.

Ten slotte onthulde de fluorescentietest de hoogste permeabiliteit van C_FF voor kaliumionen in vergelijking met andere alkalimetaalkationen. Het team ontdekte dat de hogere affiniteit van kaliumionen voor de fluoratomen in de kern van de structuur verantwoordelijk was voor dit fenomeen.

In een reactie op deze bevindingen, Assist. Prof. Sato en Prof. Kinbara zeggen:"Het feit dat een supramoleculaire ionenkanaal gevormd door C_FF beschikt over een dergelijke responsiviteit op stimuli en de selectiviteit van kaliumionen is niet alleen intrigerend, maar ook opvallend vergelijkbaar met de mechanosensitieve kanalen die worden gevonden in zoogdierneuronen."

Met deze demonstratie zijn mogelijkheden zoals de ontwikkeling van therapieën voor ionkanaalgerelateerde ziekten, manipulatie van belangrijke biologische processen en ontwikkeling van industriële materiaalzuiveringstechnologieën al in zicht. + Verder verkennen

Dubbel genot:nieuw synthetisch transmembraan-ionkanaal kan op twee manieren worden geactiveerd