En organismos superiores, las células y los orgánulos están rodeados por una membrana, que juega un papel crucial no solo en la creación de una barrera contra el entorno externo, sino también en la mediación del intercambio de fluidos, electrolitos proteínas, y otro material útil. Generalmente, estas membranas están compuestas por capas repelentes al agua formadas por moléculas de lípidos, con varias proteínas 'transmembrana' incrustadas en esta hoja de doble capa. Estas proteínas se ensamblan de tal manera que crean "puertas" o "canales" únicos que se abren y cierran en respuesta a moléculas o iones selectivos en condiciones específicas. Estas propiedades de selectividad y capacidad de detección de una membrana biológica provienen de su sofisticada estructura, y juntas hacen de estas membranas un modelo atractivo para la síntesis de nuevos materiales utilizados para desarrollar dispositivos avanzados de detección y separación. Sin embargo, desarrollar artificialmente tales ensamblajes moleculares, que pueden ensamblarse en una membrana en una orientación funcionalmente activa, ha sido un desafío hasta ahora.

Avanzar en la investigación sobre moléculas artificiales, en un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Los científicos de Tokyo Tech desarrollaron un canal sintético que puede imitar la actividad de transporte de iones de los canales iónicos naturales. Prof Kazushi Kinbara y Prof Takahiro Muraoka, los coautores del estudio, explicar, "Un obstáculo importante que limita la aplicación de moléculas transmembrana artificiales es lograr la orientación funcionalmente activa. Intentamos crear una molécula transmembrana que superara esta dificultad".

Para alcanzar esta meta, los científicos se centraron en la estructura de un canal de iones biológicos que atraviesa la membrana varias veces, y lo usó como base para diseñar dos moléculas artificiales. Estas moléculas estaban compuestas por bloques estructurales repelentes al agua, llamada unidad BPO, y partes solubles en agua llamadas cadenas de oligoetilenglicol. Estas características estructurales otorgan a estas moléculas artificiales la capacidad de autoagregarse cuando se incrustan en membranas. Las moléculas también contenían grupos fosfato que les ayudaron aún más a lograr la orientación correcta a través de las membranas.

Próximo, los científicos se centraron en una de las dos moléculas, analizar sus propiedades estructurales. Observaron que cuando se añadían moléculas de 'ligando' similares a un cebo a una solución que contenía la molécula artificial, se unieron con éxito a la estructura, lo que confirmó que la estructura era funcionalmente activa. Es más, cuando estas moléculas se introdujeron en una membrana preformada, podrían insertarse y orientarse en la membrana por sí mismos. En presencia de ligandos específicos, las macromoléculas incrustadas en la membrana cambiaron sus estructuras y transportaron iones, incluido el litio, potasio, e iones de sodio. Debido a que la molécula sintética mostró resultados prometedores con membranas artificiales, luego, los científicos lo probaron en células vivas. Usando una técnica llamada microscopía de fluorescencia, observaron que la macromolécula mostraba las mismas propiedades funcionales, incluyendo la unión diferencial de ligandos y las actividades de transporte de iones regulado, ¡en membranas biológicas también!

Tomados en conjunto, el estudio muestra cómo una molécula diseñada artificialmente puede autoensamblarse, localizar, orientar, e imitar el proceso de transporte de iones biológicos. Estos hallazgos pueden impulsar potencialmente avances en el campo de la regulación biomimética. Los autores concluyen con optimismo, "Los prometedores resultados de nuestro estudio abordaron una limitación persistente que bloqueaba la forma de utilizar proteínas de membrana biomimética artificial en campos aplicados".