Negli organismi superiori, cellule e organelli sono circondati da una membrana, che svolge un ruolo cruciale non solo nel creare una barriera dall'ambiente esterno ma anche nel mediare lo scambio di fluidi, elettroliti, proteine, e altro materiale utile. Generalmente, queste membrane sono composte da strati idrorepellenti formati da molecole lipidiche, con varie proteine ​​"transmembrana" incorporate in questo foglio a doppio strato. Queste proteine ​​sono assemblate in modo tale da creare "cancelli" o "canali" unici che si aprono e si chiudono in risposta a molecole o ioni selettivi in ​​condizioni specifiche. Queste proprietà di selettività e capacità sensoriale di una membrana biologica derivano dalla sua struttura sofisticata, e insieme rendono queste membrane un modello attraente per la sintesi di nuovi materiali utilizzati per sviluppare dispositivi avanzati di rilevamento e separazione. Però, lo sviluppo artificiale di tali assemblaggi molecolari, che possono assemblarsi in una membrana con un orientamento funzionalmente attivo, è rimasto una sfida fino ad ora.

Avanzando la ricerca sulle molecole artificiali, in uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , gli scienziati della Tokyo Tech hanno sviluppato un canale sintetico in grado di imitare l'attività di trasporto ionico dei canali ionici naturali. Prof Kazushi Kinbara e Prof Takahiro Muraoka, i coautori dello studio, spiegare, "Un grosso ostacolo che limita l'applicazione di molecole transmembrana artificiali è raggiungere l'orientamento funzionalmente attivo. Abbiamo cercato di creare una molecola transmembrana che supererebbe questa difficoltà".

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati si sono concentrati sulla struttura di un canale ionico biologico che attraversa la membrana più volte, e lo usò come base per progettare due molecole artificiali. Queste molecole erano composte sia da blocchi strutturali idrorepellenti, chiamata unità BPO, e parti solubili in acqua chiamate catene di glicole oligoetilenico. Queste caratteristiche strutturali conferiscono a queste molecole artificiali la capacità di autoaggregarsi quando sono incorporate nelle membrane. Le molecole contenevano anche gruppi fosfato che le hanno ulteriormente aiutate a raggiungere il corretto orientamento attraverso le membrane.

Prossimo, gli scienziati si sono concentrati su una delle due molecole, analizzarne le proprietà strutturali. Hanno osservato che quando molecole "leganti" simili a esche sono state aggiunte a una soluzione contenente la molecola artificiale, si sono legati con successo alla struttura, confermando che la struttura era effettivamente funzionalmente attiva. Inoltre, quando queste molecole sono state introdotte in una membrana preformata, potrebbero inserirsi e orientarsi da soli nella membrana. In presenza dei ligandi specifici, le macromolecole incorporate nella membrana hanno cambiato le loro strutture e trasportato ioni, compreso il litio, potassio, e ioni sodio. Poiché la molecola sintetica ha mostrato risultati promettenti con membrane artificiali, gli scienziati lo hanno poi testato in cellule viventi. Utilizzando una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza, osservarono che la macromolecola mostrava le stesse proprietà funzionali, compreso il legame differenziale del ligando e le attività di trasporto ionico regolamentate, anche nelle membrane biologiche!

Presi insieme, lo studio mostra come una molecola progettata artificialmente possa autoassemblarsi, localizzare, orientare, e mimano il processo biologico di trasporto ionico. Questi risultati possono potenzialmente stimolare progressi nel campo della regolazione biomimetica. Gli autori concludono ottimisticamente, "I risultati promettenti del nostro studio hanno affrontato una limitazione persistente che ha bloccato il modo di utilizzare proteine ​​​​di membrana biomimetiche artificiali nei campi applicati".