Per la prima volta, è stato dimostrato l'inserimento spontaneo di nanotubi di carbonio (CNT) nelle membrane cellulari naturali e sintetiche per formare pori che imitano i canali biologici. Nonostante la loro struttura estremamente semplice, questi pori della membrana CNT replicano i principali comportamenti funzionali delle porine (canali biologici a base di proteine), come il trasporto selettivo di protoni, acqua, ioni, e piccole molecole.

La progettazione predittiva e la creazione di robuste membrane sintetiche che replicano i processi di trasporto altamente efficienti e selettivi dei canali biologici è un obiettivo impegnativo. Le porine CNT sviluppate qui sono piattaforme biomimetiche promettenti per studi nanofluidici, costruire interfacce bioelettroniche e celle sintetiche, e fungendo da componenti chiave per sistemi di separazione a membrana ad alta efficienza energetica.

Per la prima volta, un processo per l'inserimento spontaneo di nanotubi di carbonio (CNT) nelle membrane cellulari, sia naturali che sintetici, è stato dimostrato di formare pori che imitano i canali biologici. Robusto, le membrane sintetiche che replicano i processi di trasporto altamente efficienti e selettivi dei canali biologici sono molto ricercate ma non sono ancora state realizzate. Si ritiene che i CNT siano i migliori candidati per imitare il trasporto biologico a causa della somiglianza della loro struttura interna dei pori con quella dei principali canali biologici e della possibilità che, basato su modelli computazionali, i CNT potrebbero auto-inserirsi nelle membrane biologiche. Però, la creazione di tali strutture a membrana ibrida è rimasta una sfida eccezionale.

Ora, un team guidato da scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory e comprendente scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory, l'Università della California a Berkeley, e l'Università dei Paesi Baschi in Spagna ha formato una membrana ibrida creando canali di membrana da brevi CNT. Hanno scoperto che i CNT funzionalizzati con molecole lipidiche (grasse) si inseriscono spontaneamente nelle membrane cellulari, sia naturali che sintetici. È importante sottolineare che l'inserimento dei piccoli CNT nelle pareti cellulari vive ha permesso loro di interfacciarsi direttamente con un vero e proprio sistema biologico, qualcosa che non è possibile con i CNT lunghi.

Questa interfaccia ha permesso di studiare la fisica fondamentale del trasporto dei nanopori utilizzando un modello che si avvicina più da vicino a un canale ionico e che imita il trasporto nei pori biologici. Nonostante la loro struttura estremamente semplice, questi pori di membrana riproducono il principale comportamento funzionale dei canali biologici, come il trasporto selettivo di protoni, acqua, ioni, e piccole molecole. I CNT non influiscono sull'integrità della membrana. La microscopia elettronica ha rivelato che l'inserimento non è selettivo per una particolare lunghezza del nanotubo. Per di più, un orientamento quasi perpendicolare dei CNT all'interno della membrana è fortemente preferito, contrariamente alle precedenti previsioni basate sulla simulazione.

Nonostante le significative variazioni di lunghezza del CNT, le proprietà di trasporto di queste membrane ibride, denominati "porine CNT" (dove il termine porine si riferisce a canali biologici a base di proteine), sono estremamente ben definiti, suggerendo fortemente che il trasporto attraverso i pori del CNT è diretto solo dalle barriere all'uscita e all'ingresso dei pori. Inoltre, il confinamento su scala nanometrica degli ioni nello stretto canale idrofobo dà luogo a fluttuazioni di corrente ionica, imitando il processo di gating on-off del trasporto ionico che avviene nei canali biologici. cumulativamente, questi risultati indicano che i materiali ibridi hanno utili applicazioni a membrana. Queste applicazioni includono la fornitura di una piattaforma per studi nanofluidici, costruire interfacce bioelettroniche e celle artificiali, e fungendo da componenti chiave per sistemi di separazione a membrana ad alta efficienza energetica.