I ricercatori dell'EPFL hanno dimostrato che una legge della fisica che ha a che fare con il trasporto di elettroni su scala nanometrica può essere applicata in modo analogo anche al trasporto di ioni. Questa scoperta fornisce informazioni su un aspetto chiave del funzionamento dei canali ionici all'interno delle nostre cellule viventi.

La membrana di tutte le cellule umane contiene minuscoli canali attraverso i quali gli ioni passano ad alta velocità. Questi canali ionici giocano un ruolo fondamentale nel modo in cui i neuroni, le cellule muscolari e le cellule cardiache in particolare funzionano.

I canali ionici sono estremamente complessi, e molte domande rimangono senza risposta. In che modo i canali selezionano gli ioni che possono passare? Cosa spiega l'elevata conduttività dei canali?

Ricercatori del Laboratorio di Biologia Nanoscala dell'EPFL, guidata da Aleksandra Radenovic, hanno dimostrato che il trasporto di ioni potrebbe essere descritto da una legge fisica chiamata blocco di Coulomb. Questa scoperta è stata pubblicata in Materiali della natura . La loro osservazione potrebbe migliorare la nostra comprensione di come funzionano questi canali.

Un'isola di ioni

Per eseguire i loro test, i ricercatori hanno creato un canale ionico artificiale praticando un foro di dimensioni inferiori a un nanometro in un materiale bidimensionale disolfuro di molibdeno. Quindi mettono questo materiale in un dispositivo costituito da due elettrodi insieme a una soluzione ionica su ciascun lato. Quando hanno applicato una tensione, erano in grado di misurare le variazioni di corrente tra le due camere. In contrasto con il trasporto ionico convenzionale in nanopori più grandi (> 1nm), dove il flusso di ioni non si ferma mai completamente, hanno osservato gap energetici a bassa tensione - strisce senza alcuna corrente - che hanno mostrato che gli ioni sono stati trattenuti nel nanoporo fino a quando la tensione applicata era abbastanza alta da facilitare il loro passaggio da un lato del foro all'altro.

Per interpretare questi gap energetici, i ricercatori hanno effettuato altri test, come giocare con il pH del liquido, che modula la carica del poro. Sono state trovate anche oscillazioni di conduttanza indotte dal pH. Tutte queste misurazioni hanno portato alla stessa conclusione:il modo in cui vengono trasportati gli ioni può essere spiegato in termini di blocco di Coulomb, una legge della fisica comunemente associata al trasporto di elettroni nei punti quantici.

Fino ad ora, il meccanismo caratterizzato dal blocco di Coulomb è stato osservato in elettronica, in particolare nelle particelle semiconduttrici chiamate punti quantici che confinano strettamente sia gli elettroni che i fori di elettroni in tutte e tre le dimensioni spaziali. Queste "isole" sono in grado di contenere solo un certo numero di elettroni, prima di lasciare il posto ai nuovi arrivati. L'esperimento condotto dai ricercatori dell'EPFL ha mostrato che lo stesso fenomeno stava accadendo con il trasporto ionico, quando era coinvolto un nanoporo.

"Un certo numero di teorici aveva previsto che il blocco di Coulomb potesse essere applicato anche ai canali ionici. Siamo stati lieti di collaborare a questo lavoro con il Prof. Massimiliano Di Ventra dell'Università della California, San Diego, " ha detto Radenovic. "E abbiamo dato loro ragione, osservando questo fenomeno per la prima volta utilizzando i nostri nanopori." Jiandong Feng, l'autore principale dell'articolo ha aggiunto:"Questa osservazione fornisce molte informazioni su come gli ioni viaggiano attraverso il nanoporo di dimensioni sub-nanometriche, ponendo le basi per future esplorazioni del trasporto ionico mesoscopico".