Sedan upptäckten av biologiska jonkanaler och deras roll i fysiologi, forskare har försökt skapa konstgjorda strukturer som efterliknar deras biologiska motsvarigheter.

Ny forskning av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och medarbetare vid University of California, Irvine visar att syntetiska nanoporer i fast tillstånd kan ha finjusterade transportbeteenden ungefär som de biologiska kanalerna som tillåter en neuron att skjuta.

I biologiska jonkanaler, två av de mest spännande egenskaperna är förmågan att svara på yttre stimuli och skilja mellan två joner med samma laddning, såsom natrium och kalium.

Det är välkänt att syntetiska nanoporer kan skilja mellan positiva och negativa joner (som kalium och klorid) men i den nya forskningen, teamet kunde skilja mellan natrium- och kaliumjoner trots deras lika laddning och nästan identiska storlek. De kaliumselektiva kanalerna visade strömmar som var ungefär 80 gånger större för kaliumjoner än natriumjoner, betydligt högre än något annat konstgjort system har visat och en första för nanoporer i fast tillstånd.

"Vi kan använda våra syntetiska plattformar för att bättre förstå hur biologiska system fungerar, sa Steven Buchsbaum, LLNL-anställd forskare och huvudförfattare till en artikel som visas i den 8 februari-upplagan av Vetenskapens framsteg . "Att utföra studier på konstgjorda system byggda från grunden kan ge unik insikt i hur dessa porer fungerar och de underliggande fysiska fenomenen bakom dem."

UCI-professorn och samarbetspartnern Zuzanna Siwy sa att den mest spännande applikationen för nanoporerna är deras användning som en byggsten för att göra artificiella biomimetiska system som en artificiell neuron.

Biologi använder jonselektivitet för att möjliggöra energilagring i form av en kemisk potential över ett cellmembran. Denna energi kan sedan utnyttjas senare, driver processer som nervsignalering. "Förmågan att göra samma sak i konstgjorda material tar oss ett steg närmare att tillverka syntetiska biomimetiska komponenter, sa Siwy.

Förmågan att skilja mellan joner som liknar varandra kan också tillämpas på områden som avsaltning/filtrering och biosensing.

"Att arbeta med syntetiska nanoporer erbjuder fördelarna med ökad kontroll över pordesignen och att använda material som är mycket mer robusta än de som ses inom biologi, sa Francesco Fornasiero, LLNL personal forskare och medförfattare. "Detta kan göra det möjligt för oss att så småningom ersätta eller reparera biologiska material med konstgjorda versioner som är överlägsna deras biologiska motsvarigheter."