Los investigadores de la EPFL han demostrado que una ley de la física relacionada con el transporte de electrones a nanoescala también se puede aplicar de forma análoga al transporte de iones. Este descubrimiento proporciona información sobre un aspecto clave de cómo funcionan los canales iónicos dentro de nuestras células vivas.

La membrana de todas las células humanas contiene pequeños canales a través de los cuales pasan los iones a gran velocidad. Estos canales iónicos juegan un papel fundamental en cómo las neuronas, las células musculares y las células cardíacas en particular funcionan.

Los canales de iones son extremadamente complejos, y quedan muchas preguntas sin respuesta. ¿Cómo seleccionan los canales los iones a los que se les permite pasar? ¿Qué explica la alta conductividad de los canales?

Investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la EPFL, que está dirigida por Aleksandra Radenovic, han demostrado que el transporte de iones podría describirse mediante una ley de la física llamada bloqueo de Coulomb. Este hallazgo ha sido publicado en Materiales de la naturaleza . Su observación podría mejorar nuestra comprensión de cómo funcionan estos canales.

Una isla de iones

Para realizar sus pruebas, Los investigadores crearon un canal de iones artificial haciendo un agujero de menos de un nanómetro de tamaño en un material bidimensional de disulfuro de molibdeno. Luego colocan este material en un dispositivo que consta de dos electrodos junto con una solución iónica en cada lado. Cuando aplicaron un voltaje, pudieron medir variaciones en la corriente entre las dos cámaras. En contraste con el transporte de iones convencional en nanoporos más grandes (> 1 nm), donde el flujo de iones nunca se detiene por completo, observaron brechas de energía de bajo voltaje (tiras sin corriente) que mostraban que los iones se mantenían en el nanoporo hasta que el voltaje aplicado era lo suficientemente alto como para facilitar su cruce de un lado del agujero al otro.

Para interpretar estas brechas de energía, los investigadores realizaron otras pruebas, como jugar con el pH del líquido, que modula la carga del poro. También se encontraron oscilaciones de conductancia inducidas por el pH. Todas estas mediciones llevaron a la misma conclusión:la forma en que se transportan los iones se puede explicar en términos de bloqueo de Coulomb, una ley de la física comúnmente asociada con el transporte de electrones en puntos cuánticos.

Hasta ahora, el mecanismo caracterizado por el bloqueo de Coulomb se observó en electrónica, particularmente en partículas semiconductoras llamadas puntos cuánticos que confinan fuertemente los electrones o los huecos de electrones en las tres dimensiones espaciales. Estas 'islas' solo pueden contener una cierta cantidad de electrones, antes de dar paso a los recién llegados. El experimento dirigido por investigadores de EPFL mostró que el mismo fenómeno estaba sucediendo con el transporte de iones, cuando hubo un nanoporo involucrado.

"Varios teóricos habían predicho que el bloqueo de Coulomb también podría aplicarse a los canales iónicos. Nos complace colaborar en este trabajo con el profesor Massimiliano Di Ventra de la Universidad de California, San Diego, ", dijo Radenovic." Y les hemos dado la razón, al observar este fenómeno por primera vez utilizando nuestros nanoporos ". Jiandong Feng, el autor principal del artículo agregó:"Esta observación proporciona mucha información sobre cómo viajan los iones a través del nanoporo de tamaño subnanométrico, preparando el escenario para futuras exploraciones del transporte de iones mesoscópico ".