Мембрана всех клеток человека содержит крошечные каналы, через которые ионы проходят с большой скоростью. Эти ионные каналы играют фундаментальную роль в том, как функционируют нейроны, мышечные клетки и клетки сердца.
Ионные каналы чрезвычайно сложны, и многие вопросы остаются без ответа. Как каналы отбирают ионы, которым разрешено проходить?
Чем обусловлена высокая проводимость каналов?
Исследователи из Лаборатории наноразмерной биологии EPFL, которую возглавляет Александра Раденович, продемонстрировали, что перенос ионов можно описать с помощью закона физики, называемого кулоновской блокадой. Это открытие было опубликовано в журнале Nature Materials. Их наблюдение может улучшить наше понимание того, как работают эти каналы.
Остров ионов
Чтобы провести свои испытания, исследователи создали искусственный ионный канал, проделав отверстие размером менее нанометра в двумерном материале дисульфид молибдена. Затем они поместили этот материал в устройство, состоящее из двух электродов вместе с ионным раствором с каждой стороны.
Когда они подавали напряжение, они могли измерять изменения тока между двумя камерами. В отличие от обычного переноса ионов в более крупных нанопорах (> 1 нм), где поток ионов никогда полностью не прекращается, они наблюдали при низком напряжении энергетические промежутки — полосы без какого-либо тока, что показало, что ионы задерживаются в нанопоре. пока приложенное напряжение не станет достаточно высоким, чтобы облегчить их переход от одной стороны отверстия к другой.
Чтобы интерпретировать эти энергетические разрывы, исследователи провели другие тесты, такие как игра с pH жидкости, который модулирует заряд поры. Также были обнаружены вызванные pH колебания проводимости. Все эти измерения привели к одному и тому же выводу: способ, которым переносятся ионы, можно объяснить с точки зрения кулоновской блокады, закона физики, обычно связанного с переносом электронов в квантовых точках.
До сих пор механизм, характеризующийся кулоновской блокадой, наблюдался в электронике, особенно в полупроводниковых частицах, называемых квантовыми точками, которые жестко ограничивают электроны или электронные дырки во всех трех пространственных измерениях.
Эти « острова » могут удерживать только определенное количество электронов, прежде чем уступить место новичкам. Эксперимент, проведенный исследователями EPFL, показал, что то же самое явление происходит с переносом ионов, когда речь идет о нанопоре.
"Ряд теоретиков предсказали, что кулоновская блокада также может применяться к ионным каналам.
Мы были рады сотрудничать в этой работе с проф. Массимилиано Ди Вентра из Калифорнийского университета в Сан-Диего, — сказал Раденович. «И мы доказали их правоту, впервые наблюдая это явление с помощью наших нанопор.Цзяндун Фэн, ведущий автор статьи, добавил: «Это наблюдение предоставляет много информации о том, как ионы проходят через нанопоры размером менее нанометра, создавая основу для будущих исследований мезоскопического переноса ионов."