(Phys.org) -- Een internationaal team van wetenschappers, waaronder chemicus Xiao Cheng Zeng van de Universiteit van Nebraska-Lincoln, heeft in feite een zeef op nanoschaal gecreëerd die zeer selectief is in wat hij doorlaat - en op vrijwel dezelfde manier presteert als de kaliumionkanalen die vitale componenten zijn van vrijwel alle levende cellen.

Het is ook de eerste synthetische nanobuis met een uniforme diameter, niet alleen zelf-assemblerend en hydrofoob zijn, kenmerken die tot industriële en medische doorbraken kunnen leiden.

"Deze nanobuis kan worden gezien als een stapel van vele, veel ringen, " zei Zeng, Ameritas University hoogleraar scheikunde. "De ringen komen samen via een proces dat zelfassemblage wordt genoemd, en het is heel precies. Het is de eerste synthetische nanobuis met een zeer uniforme diameter. Het is eigenlijk een sub-nanometer buis. Het is ongeveer 8,8 angstrom."

In levende cellen, ionkanalen laten kaliumionen door celmembranen, maar laat geen natriumionen door, hoewel het kaliumion (atoomgewicht 39) bijna 70 procent groter is dan natrium (atoomgewicht 23).

"We vonden een totaal ander kaliumkanaal, Zeng zei. "Het is dezelfde functie, maar het is totaal anders dan Moeder Natuur. We, mogelijk voor het eerst, de kaliumporie van Moeder Natuur nagebootst door een uniforme subnanometerporie te gebruiken, maar waarom het grotere ion er wel doorheen kan en het kleinere niet, wordt nog onderzocht."

De onderzoeksgroep van Zeng bij UNL gebruikte UNL's Holland Computing Center met financiering van de National Science Foundation en het Nebraska Research Initiative om berekeningen uit te voeren om de structuur van de buizen te onderzoeken. Zijn groep bepaalde de grootte van de ringen en de afstand ertussen om de structuur van de apparaten te vinden, en vond acht mogelijke manieren om de moleculen te stapelen. Cruciaal, berekeningen toonden ook aan dat de structuren stabiel zijn bij kamertemperatuur.

Bing Gong, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Buffalo en Beijing Normal University, een lange tijd medewerker van Zeng's, en Zhifeng Shao, uitvoerend decaan van het Center for System Biomedicine aan de Shanghai Jiao Tong University en een voormalig oud faculteitslid aan de University of Virginia School of Medicine, en hun teams, de nanobuisjes gesynthetiseerd en de ionenstroom gemeten, het voltooien van een driejarig project dat grotendeels door de NSF wordt gefinancierd. Röntgenonderzoek werd gedaan bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory in Argonne, Ill. Zeng's onderzoeksgroep bij UNL omvat postdoctorale fellows Hui Li en Yi Gao.

Het succes van de experimenten, Zeng zei, zal leiden tot voortzetting van onderzoek en ontwikkeling.

"Een ding waar mensen op dit gebied in geïnteresseerd zijn, is ontzilting. Een ander is de levering van medicijnen, "zei hij. "In de toekomst, onze richting, ook ondersteund door NSF, is om de binnenwand van de buis te functionaliseren.

"Voor nu, minstens, het is een zeer intrigerende nanobuis omdat het selectief ionentransport heeft, wat heel bijzonder is. Alleen kalium kan erin. Het gaat er doorheen en het natrium niet. Maar, Hopelijk, als we binnen een andere functie kunnen toevoegen, en dan kunnen we soms alleen water doorlaten, of andere ionen om doorheen te gaan, we kunnen meer selectiviteit toevoegen."

De bevindingen werden gerapporteerd in het nummer van 17 juli van: Natuurcommunicatie , het online-only multidisciplinaire tijdschrift van onderzoek van de Nature Publishing Group op alle gebieden van de biologische, fysische en chemische wetenschappen.