Konstgjorda jonkanaler som utvecklats av A*STAR -forskare kan bana väg för nya typer av antibakteriella medel och biomedicinska sensorer.

Jonkanaler är biokemiska motorvägar som gör att joner av metaller som kalium och natrium kan zooma in och ut ur celler. Avgörande, kanalerna är vanligtvis mycket selektiva, tillåter endast en typ av jon genom och spärrar andra. Till exempel, den naturligt förekommande KcsA-kaliumjonkanalen kan transportera 100 miljoner joner per sekund, och släpper bara igenom en natriumjon för varje 10, 000 kaliumjoner.

"Men proteinbaserade jonkanaler är dyra och svåra att manipulera, " säger Huaqiang Zeng vid A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology. "Syntetiska versioner utvecklas därför för att efterlikna och så småningom överträffa de funktioner som uppvisas av naturligt förekommande proteinkanaler." det har varit svårt att utveckla konstgjorda kanaler som har en stark selektivitet för kalium framför natriumjoner.

Zeng och kollegor har nu utvecklat jonkanaler som erbjuder snabb kaliumjonstransport, med en selektivitet som är bland de högsta rapporterade för någon artificiell jonkanal. Kanalen är bildad av en serie identiska molekyler som staplas ovanpå varandra. Varje molekyl innehåller tre komponenter. I ena änden finns en kroneter, en stor ring av kol- och syreatomer; i mitten finns en aminosyra, som innehåller kemiska grupper som gör att molekylerna kan staplas i ett specifikt mönster; och i andra änden är en lång, kolbaserad 'svans'. Dessa molekyler kan självmontera så att kroneterringarna radas upp för att bilda ett rör, som fungerar som en jonkanal.

Forskarna skapade ett bibliotek av molekyler med olika aminosyror, olika längder av alkylkedjor, och kronetrar som innehöll fem eller sex syreatomer. Sedan bildade de membran från de staplade kanalerna, och testade deras jontransportegenskaper.

Den mest selektiva kanalen de studerade innehöll en kroneter med fem syreatomer, en fenylalanin aminosyra, och en alkylkedja innehållande åtta kolatomer. Detta kan transportera 30 miljoner joner per sekund, och var ungefär tio gånger mer selektiv för kaliumjoner än natriumjoner. Detta ger en mycket bättre prestanda än tidigare konstgjorda kaliumjonkanaler baserade på kronetrar eller andra molekylära ställningar.

Molekylernas tre komponenter kan enkelt ändras för att finjustera kanalernas egenskaper, så Zeng är optimistisk att hans lag kan förbättra sin prestation ytterligare. De hoppas kunna testa sina optimerade system i medicinska tillämpningar, såsom antibakteriella medel eller hårväxtfrämjare.