Små porer vid en cells ingång fungerar som miniatyr studsare, släpper in några elektriskt laddade atomer - joner - men blockerar andra. Fungerar som utsökt känsliga filter, dessa "jonkanaler" spelar en avgörande roll i biologiska funktioner såsom muskelsammandragning och avfyrning av hjärnceller. För att snabbt transportera de rätta jonerna genom cellmembranet, de små kanalerna förlitar sig på ett komplext samspel mellan jonerna och omgivande molekyler, särskilt vatten, som har en affinitet för de laddade atomerna. Men dessa molekylära processer har traditionellt varit svåra att modellera - och därför förstå - med hjälp av datorer eller konstgjorda strukturer.

Nu, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har visat att porer i nanometer-skala etsade i lager av grafen-atomtunna kolark som är kända för sin styrka och konduktivitet-kan ge en enkel modell för den komplexa driften av jonkanaler.

Denna modell gör det möjligt för forskare att mäta en mängd egenskaper relaterade till jontransport. Dessutom, grafen nanoporer kan i slutändan ge forskare effektiva mekaniska filter som är lämpliga för sådana processer som att ta bort salt från havsvatten och identifiera defekt DNA i genetiskt material.

NIST -forskaren Michael Zwolak, tillsammans med Subin Sahu (som tillsammans är ansluten till NIST, University of Maryland NanoCenter och Oregon State University), har också upptäckt ett sätt att simulera aspekter av jonkanalens beteende samtidigt som de tar hänsyn till sådana beräkningsintensiva detaljer som molekylskala variationer i kanalens storlek eller form.

För att pressa igenom cellens jonkanal, som är en samling proteiner med en por som bara är några atomer bred, joner måste förlora några eller alla vattenmolekyler som är bundna till dem. Dock, mängden energi som krävs för att göra det är ofta oöverkomlig, så joner behöver lite extra hjälp. De får den hjälpen från själva jonkanalen, som är fodrad med molekyler som har motsatta laddningar till vissa joner, och hjälper därmed att locka dem. Dessutom, arrangemanget av dessa laddade molekyler ger en bättre passform för vissa joner kontra andra, skapa ett mycket selektivt filter. Till exempel, vissa jonkanaler är fodrade med negativt laddade molekyler som distribueras på ett sådant sätt att de enkelt kan ta emot kaliumjoner men inte natriumjoner.

Det är selektiviteten hos jonkanaler som forskare vill förstå bättre, både för att lära sig hur biologiska system fungerar och eftersom driften av dessa kanaler kan föreslå ett lovande sätt att konstruera icke-biologiska filter för en mängd industriella användningsområden.

Genom att vända sig till ett enklare system - grafen nanoporer - Zwolak, Sahu, och Massimiliano Di Ventra från University of California, San Diego, simulerade förhållanden som liknar aktiviteten hos faktiska jonkanaler. Till exempel, lagets simuleringar visade för första gången att nanoporer kunde göras så att endast några joner kunde färdas genom dem genom att ändra diametern på nanoporerna etsade i ett enda ark med grafen eller genom att lägga till ytterligare ark. Till skillnad från biologiska jonkanaler, dock, denna selektivitet kommer endast från avlägsnandet av vattenmolekyler, en process som kallas uttorkning.

Graphene nanopores gör att denna selektivitet som endast dehydreras kan mätas under en mängd olika förhållanden, ännu en ny bedrift. Forskarna rapporterade sina fynd i de senaste numren av Nano bokstäver och Nanoskala .

I två andra förtryck, Zwolak och Sahu tar upp en del av komplexiteten i att simulera jonernas sammandragning och transport genom nanoporkanalerna. När teoretiker simulerar en process, de väljer en viss "box" i vilken de utför dessa simuleringar. Lådan kan vara större eller mindre, beroende på beräkningens bredd och detalj. Forskarna visade att om dimensionerna för simuleringsvolymen väljs så att förhållandet mellan volymens bredd och dess höjd har ett särskilt numeriskt värde, då kan simuleringen samtidigt fånga inflytandet från den omgivande joniska lösningen och sådana taggiga detaljer som nanoskala fluktuationer i porernas diameter eller närvaron av laddade kemiska grupper. Denna upptäckt - som teamet kallar "det gyllene bildförhållandet" för simuleringar - kommer att förenkla beräkningar avsevärt och leda till en bättre förståelse för jonkanalernas funktion, Sade Zwolak.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.