Исследователи EPFL показали, что закон физики, связанный с переносом электронов в наномасштабе, может быть аналогичным образом применен к переносу ионов. Это открытие дает представление о ключевом аспекте функционирования ионных каналов в наших живых клетках.
Мембрана всех клеток человека содержит крошечные каналы, по которым ионы проходят с большой скоростью. Эти ионные каналы играют фундаментальную роль в функционировании нейронов, мышечных и сердечных клеток.
Ионные каналы чрезвычайно сложны, и многие вопросы остаются без ответа. Как каналы выбирают ионы, которым разрешено проходить? Чем объясняется высокая проводимость каналов?
Исследователи из Лаборатории наноразмерной биологии EPFL, которую возглавляет Александра Раденович, продемонстрировали, что перенос ионов может быть описан законом физики, называемым кулоновской блокадой. Это открытие было опубликовано в Nature Materials. Их наблюдение может улучшить наше понимание того, как работают эти каналы.
Остров ионов
Для проведения своих испытаний исследователи создали искусственный ионный канал, проделав отверстие размером менее нанометра в двумерном материале дисульфиде молибдена. Затем этот материал поместили в устройство, состоящее из двух электродов с ионным раствором с каждой стороны. Когда они приложили напряжение, они смогли измерить колебания тока между двумя камерами. В отличие от обычного переноса ионов в более крупных нанопорах (>1 нм), где поток ионов никогда полностью не прекращается, при низком напряжении наблюдались энергетические промежутки - полосы без тока - что показывало, что ионы удерживались в нанопоре до тех пор, пока приложенное напряжение было достаточно высоким, чтобы облегчить их переход с одной стороны отверстия на другую.
Чтобы интерпретировать эти энергетические разрывы, исследователи провели другие тесты, такие как игра с pH жидкости, которая модулирует заряд пор. Также были обнаружены индуцированные pH колебания проводимости. Все эти измерения привели к одному и тому же выводу: способ переноса ионов 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 «островки» способны удерживать только определенное количество электронов, прежде чем уступить место новичкам. Эксперимент, проведенный исследователями EPFL, показал, что то же самое явление происходит с ионным транспортом, когда задействована нанопора.
Ряд теоретиков предсказал, что кулоновская блокада также может быть применена к ионным каналам. Мы были рады сотрудничать в этой работе с профессором Массимилиано Ди Вентра из Калифорнийского университета в Сан-Диего, - сказал Раденович. - И мы доказали их правоту, впервые наблюдая это явление с помощью наших нанопор». Ведущий автор статьи добавил: «Это наблюдение дает много информации о том, как ионы проходят через нанопоры субнанометрового размера, создавая основу для будущих исследований мезоскопического переноса ионов».