Intresserad av egenskaperna hos jonkanalproteiner som vanligtvis observeras i celler, har Tokyo Tech-forskare utvecklat den första syntetiska mekanokänsliga kaliumkanalen med hjälp av en nyutvecklad aromatisk fluorerad amfifil cyklofan. Genom att visa både "stimuli-responsivitet" och "selektiv jontransport", kan deras nya jonkanal öppna nya dörrar för framtida terapeutisk och industriell användning av syntetiska mekanokänsliga kanaler.

Naturen inspirerar mänskligheten på en mängd olika sätt. Ta till exempel "stimuli-responsiva" jontransportkanalproteiner. Dessa proteiner finns inbäddade i cellmembran och svarar på en mängd olika yttre stimuli, inklusive ljus, pH och mekanisk kraft. Med tanke på deras avgörande roll i flera biologiska processer har forskare försökt syntetisera de artificiella versionerna av dessa kanalproteiner för användning i terapeutiska och industriella miljöer. Men framgången med att syntetisera dem har varit svårfångad. De komplexa strukturella kraven på stimulans känslighet och specifika jontransportegenskaper har identifierats som det största hindret i deras syntes.

För att övervinna dessa svårigheter har forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ledda av biträdande professor Kohei Sato och professor Kazushi Kinbara, nyligen utvecklat den första syntetiska mekanokänsliga (reagerar på mekanisk kraft) kanal med kaliumjonselektivitet. Deras resultat publiceras i Journal of the American Chemical Society .

På tal om studien, Assist. Prof. Sato och Prof. Kinbara, knuten till School of Life Science and Technology vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), säger:"Med vår erfarenhet av att designa multiblock-amfifiler som självmonterar sig för att bilda supramolekylära jonkanaler, antog vi att linjära amfifiler var inte lämpliga för att transportera specifika joner; därför försökte vi strukturella modifieringar för att införliva både stimuli känslighet och jonselektivitet."

Forskarna justerade strukturen hos en komplex organisk molekyl känd som en multiblock-amfifil för att införliva en perfluorerad aromatisk enhet. Den resulterande strukturen, en fluorerad amfifil cyklofan, innehöll hydrofoba perfluorerade oligo(fenylen–etynylen)-enheter och hydrofila okta(etylenglykol)-linkers. Forskarna designade också en delvis fluorerad och en icke-fluorerad amfifil cyklofan för att undersöka effekten av aromatisk fluorering.

Mikroskopi visade att både den perfluorerade cyklofanen, benämnd C_FF, och den delvis fluorerade cyklofanen, benämnd C_FH , kunde inkorporeras i lipiddubbelskiktsmembranet, medan den icke-fluorerade cyklofanen inte kunde. Forskarna analyserade sedan jontransportegenskapen, stimulans känslighet och kaliumjonselektivitet för C_FF och C_FH med hjälp av konduktansmätningar, fluorescensanalyser och beräkningsstudier. De identifierade att både C_FF och C_FH självmonterad i dubbelskiktsmembranet för att bilda supramolekylära jonkanaler. Dessutom bekräftade strömflödet över membranet den transmembrana jontransportegenskapen hos både C_FF och C_FH , mer effektiv och uttalad i C_FF .

Förändringar i strömflödet vid applicering av membranspänning bekräftade ytterligare stimulans känslighet hos kanalerna som bildas av C_FF och C_FH . Jontransportegenskapen för C_FF påverkades avsevärt, medan det inte förändrade mycket för C_FH . Hjälpa. Prof. Sato, Prof. Kinbara och deras team tillskriver dessa variationer till den differentiella interaktionen mellan de aromatiska enheterna av C_FH och C_FF inom membranet.

Slutligen avslöjade fluorescensanalysen högsta permeabiliteten för C_FF för kaliumjoner jämfört med andra alkalimetallkatjoner. Teamet fann att den högre affiniteten hos kaliumjoner för fluoratomerna i kärnan av strukturen var ansvarig för detta fenomen.

Kommenterar dessa fynd, Assist. Prof. Sato och Prof. Kinbara säger, "Det faktum att en supramolekylär jonkanal bildad av C_FF besitter sådan stimuli känslighet och kaliumjonselektivitet är inte bara spännande, utan också slående lik de mekanokänsliga kanalerna som finns i däggdjursneuroner."

Med denna demonstration är möjligheter såsom utveckling av terapier för jonkanalrelaterade sjukdomar, manipulation av viktiga biologiska processer och utveckling av industriell materialreningsteknik redan i sikte. + Utforska vidare

Dubbel glädje:Ny syntetisk transmembranjonkanal kan aktiveras på två sätt