Sinds de ontdekking van biologische ionkanalen en hun rol in de fysiologie, wetenschappers hebben geprobeerd door de mens gemaakte structuren te creëren die hun biologische tegenhangers nabootsen.

Nieuw onderzoek door Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wetenschappers en medewerkers aan de Universiteit van Californië, Irvine laat zien dat synthetische nanoporiën in vaste toestand fijn afgestemd transportgedrag kunnen hebben, net zoals de biologische kanalen die een neuron laten vuren.

In biologische ionkanalen, twee van de meest opwindende eigenschappen zijn het vermogen om te reageren op externe stimuli en onderscheid te maken tussen twee ionen met dezelfde lading, zoals natrium en kalium.

Het is bekend dat synthetische nanoporiën onderscheid kunnen maken tussen positieve en negatieve ionen (zoals kalium en chloride), maar in het nieuwe onderzoek het team was in staat om onderscheid te maken tussen natrium- en kaliumionen ondanks hun gelijke lading en bijna identieke grootte. De kaliumselectieve kanalen vertoonden stromen die ongeveer 80 keer groter waren voor kaliumionen dan voor natriumionen, aanzienlijk hoger dan enig ander door de mens gemaakt systeem heeft aangetoond en een primeur voor nanoporiën in vaste toestand.

"We kunnen onze synthetische platforms gebruiken om beter te begrijpen hoe biologische systemen werken, zei Steven Buchsbaum, LLNL-stafwetenschapper en hoofdauteur van een paper dat verschijnt in de editie van 8 februari van wetenschappelijke vooruitgang . "Het uitvoeren van studies naar door de mens gemaakte systemen die van de grond af zijn opgebouwd, kan een uniek inzicht geven in hoe deze poriën functioneren en de onderliggende fysieke fenomenen erachter."

UCI-professor en medewerker Zuzanna Siwy zei dat de meest opwindende toepassing voor de nanoporiën hun gebruik is als een bouwsteen voor het maken van kunstmatige biomimetische systemen zoals een kunstmatig neuron.

Biologie gebruikt ionenselectiviteit om energieopslag mogelijk te maken in de vorm van een chemische potentiaal over een celmembraan. Deze energie kan later worden aangeboord, aandrijvende processen zoals zenuwsignalering. "Het vermogen om hetzelfde te doen in door de mens gemaakte materialen brengt ons een stap dichter bij het maken van synthetische biomimetische componenten, ' zei Siwy.

Het vermogen om onderscheid te maken tussen ionen die sterk op elkaar lijken, kan ook worden toegepast op gebieden zoals ontzilting/filtratie en biosensing.

"Werken met synthetische nanoporiën biedt de voordelen van meer controle over het porieontwerp en het gebruik van materialen die veel robuuster zijn dan die in de biologie worden gezien, " zei Francesco Fornasiero, LLNL-stafwetenschapper en co-auteur. "Dit zou ons in staat kunnen stellen om uiteindelijk biologische materialen te vervangen of te repareren door kunstmatige versies die superieur zijn aan hun biologische tegenhangers."