In questa simulazione, una membrana biologica (grigia) con un canale ionico (al centro) è immersa in una soluzione di acqua e ioni. Questa sezione trasversale di una "scatola" di simulazione mostra il potenziale elettrico, la "forza" fornita dall'esterno che guida gli ioni attraverso il canale. Uno schema abbagliante emerge in questo potenziale a causa della presenza del canale:i colori mostrano le linee di uguale potenziale. La natura in lento decadimento di questo modello nello spazio rende difficili le simulazioni. Il rapporto d'aspetto aureo - il rapporto scelto tra altezza e larghezza di questa scatola - consente a piccole simulazioni di catturare efficacemente l'effetto delle grandi dimensioni spaziali dell'esperimento. Credito:NIST
Piccoli pori all'ingresso di una cella fungono da buttafuori in miniatura, lasciando entrare alcuni atomi caricati elettricamente, gli ioni, ma bloccandone altri. Operando come filtri squisitamente sensibili, questi "canali ionici" svolgono un ruolo critico nelle funzioni biologiche come la contrazione muscolare e l'attivazione delle cellule cerebrali. Per trasportare rapidamente gli ioni giusti attraverso la membrana cellulare, i minuscoli canali si basano su una complessa interazione tra gli ioni e le molecole circostanti, in particolare acqua, che hanno affinità per gli atomi carichi. Ma questi processi molecolari sono stati tradizionalmente difficili da modellare, e quindi da comprendere, utilizzando computer o strutture artificiali.
Ora, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno dimostrato che i pori su scala nanometrica incisi in strati di grafene, fogli di carbonio atomicamente sottili rinomati per la loro forza e conduttività, possono fornire un modello semplice per il complesso funzionamento di canali ionici.
Questo modello consente agli scienziati di misurare una serie di proprietà relative al trasporto ionico. Inoltre, i nanopori di grafene potrebbero infine fornire agli scienziati filtri meccanici efficienti adatti a processi come la rimozione del sale dall'acqua dell'oceano e l'identificazione del DNA difettoso nel materiale genetico.
Lo scienziato del NIST Michael Zwolak, insieme a Subin Sahu (che è affiliato congiuntamente al NIST, l'Università del Maryland NanoCenter e l'Oregon State University), ha anche scoperto un modo per simulare aspetti del comportamento del canale ionico tenendo conto di dettagli così intensi dal punto di vista computazionale come variazioni su scala molecolare nella dimensione o nella forma del canale.
Per spremere attraverso il canale ionico di una cellula, che è un insieme di proteine con un poro largo solo pochi atomi, gli ioni devono perdere alcune o tutte le molecole d'acqua ad essi legate. Però, la quantità di energia necessaria per farlo è spesso proibitiva, quindi gli ioni hanno bisogno di un aiuto extra. Ottengono quell'assistenza dal canale ionico stesso, che è rivestito con molecole che hanno cariche opposte a determinati ioni, e quindi aiuta ad attrarli. Inoltre, la disposizione di queste molecole cariche fornisce una migliore adattabilità per alcuni ioni rispetto ad altri, creando un filtro altamente selettivo. Ad esempio, alcuni canali ionici sono rivestiti con molecole cariche negativamente che sono distribuite in modo tale da poter ospitare facilmente ioni potassio ma non ioni sodio.
È la selettività dei canali ionici che gli scienziati vogliono capire meglio, sia per imparare come funzionano i sistemi biologici sia perché il funzionamento di questi canali può suggerire un modo promettente per progettare filtri non biologici per una serie di usi industriali.
Passando a un sistema più semplice, i nanopori di grafene, Zwolak, Sahu, e Massimiliano Di Ventra dell'Università della California, San Diego, condizioni simulate che assomigliano all'attività dei canali ionici reali. Per esempio, le simulazioni del team hanno dimostrato per la prima volta che è possibile creare nanopori per consentire solo ad alcuni ioni di attraversarli modificando il diametro dei nanopori incisi in un singolo foglio di grafene o aggiungendo fogli aggiuntivi. A differenza dei canali ionici biologici, però, questa selettività deriva dalla rimozione delle sole molecole d'acqua, un processo noto come disidratazione.
I nanopori di grafene consentiranno di misurare questa selettività di sola disidratazione in una varietà di condizioni, un'altra nuova impresa. I ricercatori hanno riportato le loro scoperte in recenti numeri di Nano lettere e Nanoscala .
In altri due preprint, Zwolak e Sahu affrontano alcune delle complessità nella simulazione della costrizione e del trasporto degli ioni attraverso i canali dei nanopori. Quando i teorici simulano un processo, scelgono una "scatola" di una certa dimensione in cui eseguono tali simulazioni. La scatola potrebbe essere più grande o più piccola, a seconda dell'ampiezza e del dettaglio del calcolo. I ricercatori hanno dimostrato che se le dimensioni del volume di simulazione sono scelte in modo tale che il rapporto tra la larghezza del volume e la sua altezza abbia un particolare valore numerico, quindi la simulazione può catturare contemporaneamente l'influenza della soluzione ionica circostante e dettagli spinosi come fluttuazioni su scala nanometrica del diametro dei pori o la presenza di gruppi chimici carichi. Questa scoperta, che il team chiama "il rapporto d'aspetto aureo" per le simulazioni, semplificherà notevolmente i calcoli e porterà a una migliore comprensione del funzionamento dei canali ionici, ha detto Zwolak.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
