EPFL -forskare har visat att en fysikalisk lag som har att göra med elektrontransport i nanoskala också kan tillämpas analogt på jontransport. Denna upptäckt ger insikt i en viktig aspekt av hur jonkanaler fungerar i våra levande celler.

Membranet i alla mänskliga celler innehåller små kanaler genom vilka joner passerar genom med hög hastighet. Dessa jonkanaler spelar en grundläggande roll för hur neuroner, muskelceller och hjärtceller i synnerhet fungerar.

Jonkanaler är extremt komplexa, och många frågor är obesvarade. Hur väljer kanalerna de joner som får passera? Vad står för kanalernas höga konduktivitet?

Forskare i EPFL:s laboratorium för nanoskala biologi, som leds av Aleksandra Radenovic, har visat att jontransport kan beskrivas med en fysikalisk lag som kallas Coulomb -blockad. Detta resultat har publicerats i Naturmaterial . Deras observation kan förbättra vår förståelse för hur dessa kanaler fungerar.

En ö av joner

För att utföra sina tester, forskarna skapade en artificiell jonkanal genom att göra ett hål mindre än en nanometer i storlek i ett tvådimensionellt material molybdendisulfid. Sedan lägger de detta material i en enhet som består av två elektroder tillsammans med jonisk lösning på varje sida. När de applicerade en spänning, de kunde mäta variationer i strömmen mellan de två kamrarna. Till skillnad från konventionell jontransport i större nanoporer (> 1 nm), där flödet av joner aldrig stannar helt, de observerade vid lågspänningsenergi -remsor utan ström - vilket visade att jonerna hölls uppe i nanopor tills den applicerade spänningen var tillräckligt hög för att underlätta deras korsning från ena sidan av hålet till den andra.

För att tolka dessa energiklyftor, forskarna genomförde andra tester, som att leka med vätskans pH, som modulerar laddningen av poren. pH-inducerade konduktansoscillationer hittades också. Alla dessa mätningar ledde till samma slutsats:hur jonerna transporteras kan förklaras med Coulomb -blockad, en fysikalisk lag som vanligtvis associeras med elektrontransport i kvantpunkter.

Tills nu, mekanismen som kännetecknas av Coulomb -blockad observerades inom elektronik, särskilt i halvledarpartiklar som kallas kvantprickar som tätt begränsar antingen elektroner eller elektronhål i alla tre rumsliga dimensioner. Dessa "öar" kan bara hålla ett visst antal elektroner, innan de ger vika för nykomlingarna. Experimentet som leddes av EPFL -forskare visade att samma fenomen hände med jontransport, när det var en nanopore inblandad.

"Ett antal teoretiker hade förutspått att Coulomb -blockad också skulle kunna tillämpas på jonkanaler. Vi var glada över att kunna samarbeta om detta arbete med professor Massimiliano Di Ventra från University of California, San Diego, "sa Radenovic." Och vi bevisade att de hade rätt, genom att observera detta fenomen för första gången med hjälp av våra nanoporer. "Jiandong Feng, huvudförfattaren till artikeln tillade:"Denna observation ger mycket information om hur joner reser genom sub-nanometerstorlek nanopore, sätta scenen för framtida utforskningar av mesoskopisk jontransport. "