Ett team ledd av Lawrence Livermore-forskarna har skapat en ny sorts jonkanal baserad på korta kolnanorör, som kan infogas i syntetiska dubbelskikt och levande cellmembran för att bilda små porer som transporterar vatten, protoner, små joner och DNA.
Dessa kolnanorör "poriner" har betydande konsekvenser för framtida hälsovård och bioteknikapplikationer. Nanorörporiner kan så småningom användas för att leverera droger till kroppen, tjäna som en grund för nya biosensorer och DNA-sekvenseringstillämpningar, och användas som komponenter i syntetiska celler.
Forskare har länge varit intresserade av att utveckla syntetiska analoger av biologiska membrankanaler som kan replikera hög effektivitet och extrem selektivitet för att transportera joner och molekyler som vanligtvis finns i naturliga system. Dock, dessa ansträngningar innebar alltid problem att arbeta med syntetiska material och de matchade aldrig förmågan hos biologiska proteiner.
Till skillnad från att ta ett piller som absorberas långsamt och levereras till hela kroppen, kolnanorör kan peka ut ett exakt område att behandla utan att skada de andra organen runt omkring.
"Många bra och effektiva läkemedel som behandlar sjukdomar i ett organ är ganska giftiga för ett annat, sa Aleksandr Noy, en LLNL biofysiker som ledde studien och är seniorförfattare på tidningen som visas i 30 oktober-numret av tidskriften, Natur . "Det är därför det är mycket bättre att leverera till en viss del av kroppen och bara släppa den där."
Lawrence Livermore-teamet, tillsammans med kollegor vid Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California Merced och Berkeley campus, och universitetet i Baskien i Spanien skapade en ny typ av en mycket effektivare, biokompatibel membranporkanal ut ur ett kolnanorör (CNT) - en halmliknande molekyl som består av ett ihoprullat grafenark.
Denna forskning visade att trots deras strukturella enkelhet, CNT-poriner uppvisar många karakteristiska beteenden hos naturliga jonkanaler:de sätts spontant in i membranen, växla mellan metastabila konduktanstillstånd, och uppvisa karakteristiska makromolekyl-inducerade blockader. Teamet fann också att precis som i de biologiska kanalerna, lokala kanal- och membranladdningar skulle kunna kontrollera jonkonduktansen och jonselektiviteten för CNT-porinerna.
"Vi fann att dessa nanoporer är en lovande biomimetisk plattform för att utveckla cellgränssnitt, studera transport i biologiska kanaler, och skapa biosensorer, " Sa Noy. "Vi tänker på CNT-poriner som en första verkligt mångsidig syntetisk nanopor som kan skapa en rad tillämpningar inom biologi och materialvetenskap."
"Tagen tillsammans, våra fynd etablerar CNT-poriner som en lovande prototyp av en syntetisk membrankanal med inneboende robusthet mot biologiska och kemiska utmaningar och exceptionell biokompatibilitet som borde visa sig vara värdefull för bionanofluidiska och cellulära gränssnittstillämpningar, sa Jia Geng, en postdoc som är den första medförfattaren till uppsatsen.
Kyunghoon Kim, en postdoc och en annan medförfattare, tillade:"Vi förväntar oss också att våra CNT-poriner kan modifieras med syntetiska "gates" för att dramatiskt förändra deras selektivitet, öppnar upp spännande möjligheter för deras användning i syntetiska celler, läkemedelsleverans och biosensing."
