I högre organismer, celler och organeller omges av ett membran, som spelar en avgörande roll för att inte bara skapa en barriär från den yttre miljön utan också förmedla utbyte av vätskor, elektrolyter, proteiner, och annat användbart material. Vanligtvis, dessa membran består av vattenavvisande lager som bildas av lipidmolekyler, med olika "transmembrana" proteiner inbäddade i detta dubbelskiktade ark. Dessa proteiner samlas på ett sådant sätt att de skapar unika "grindar" eller "kanaler" som öppnas och stängs som svar på selektiva molekyler eller joner under specifika förhållanden. Dessa egenskaper hos selektivitet och avkänningskapacitet hos ett biologiskt membran kommer från dess sofistikerade struktur, och tillsammans gör de dessa membran till en attraktiv modell för syntes av nya material som används för att utveckla avancerade avkännings- och separationsanordningar. Dock, att artificiellt utveckla sådana molekylära sammansättningar - som kan montera sig i ett membran i en funktionellt aktiv orientering - har förblivit utmanande fram till nu.

Att främja forskningen om artificiella molekyler, i en studie publicerad i Naturkommunikation , forskare från Tokyo Tech utvecklade en syntetisk kanal som kan efterlikna jontransporterande aktivitet av naturliga jonkanaler. Prof Kazushi Kinbara och Prof Takahiro Muraoka, medförfattarna till studien, förklara, "Ett stort hinder som begränsar tillämpningen av artificiella transmembranmolekyler är att uppnå funktionellt aktiv orientering. Vi försökte skapa en transmembranmolekyl som skulle övervinna denna svårighet."

För att uppnå detta mål, forskarna fokuserade på strukturen av en biologisk jonkanal som spänner över membranet flera gånger, och använde den som grund för att designa två konstgjorda molekyler. Dessa molekyler var sammansatta av båda vattenavvisande strukturblock, kallas BPO -enhet, och vattenlösliga delar som kallas oligoetylenglykolkedjor. Dessa strukturella egenskaper ger dessa konstgjorda molekyler förmågan att självaggregera när de är inbäddade i membran. Molekylerna innehöll också fosfatgrupper som ytterligare hjälpte dem att uppnå rätt orientering över membranen.

Nästa, forskarna fokuserade på en av de två molekylerna, för att analysera dess strukturella egenskaper. De observerade att när lämpliga betesliknande "ligand" -molekyler tillsattes till en lösning som innehåller den artificiella molekylen, de band framgångsrikt till strukturen - bekräftade att strukturen verkligen var funktionellt aktiv. Dessutom, när dessa molekyler introducerades i ett förformat membran, de kunde sätta in och orientera sig i membranet på egen hand. I närvaro av de specifika liganderna, de membraninbäddade makromolekylerna ändrade sina strukturer och transporterade joner, inklusive litium, kalium, och natriumjoner. Eftersom den syntetiska molekylen visade lovande resultat med konstgjorda membran, forskarna testade det sedan i levande celler. Med hjälp av en teknik som kallas fluorescensmikroskopi, de observerade att makromolekylen visade samma funktionella egenskaper, inklusive differentiell ligandbindning och reglerad jontransportaktivitet, i biologiska membran också!

Tagen tillsammans, studien visar hur en artificiellt utformad molekyl kan montera sig själv, lokalisera, orientera, och efterlikna den biologiska jontransportprocessen. Dessa fynd kan potentiellt stimulera framsteg inom biomimetisk reglering. Författarna drar optimistiskt slutsatsen, "De lovande resultaten av vår studie tog upp en ihållande begränsning som blockerade sättet att använda artificiella biomimetiska membranproteiner i tillämpade fält."