Pequeños poros en la entrada de una celda actúan como gorilas en miniatura, dejando entrar algunos átomos cargados eléctricamente, iones, pero bloqueando otros. Operando como filtros exquisitamente sensibles, estos "canales iónicos" desempeñan un papel fundamental en funciones biológicas como la contracción muscular y la activación de las células cerebrales. Para transportar rápidamente los iones correctos a través de la membrana celular, los diminutos canales dependen de una interacción compleja entre los iones y las moléculas circundantes, particularmente agua, que tienen afinidad por los átomos cargados. Pero estos procesos moleculares han sido tradicionalmente difíciles de modelar, y por lo tanto de comprender, utilizando computadoras o estructuras artificiales.

Ahora, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han demostrado que los poros de escala nanométrica grabados en capas de grafeno (láminas de carbono atómicamente delgadas reconocidas por su resistencia y conductividad) pueden proporcionar un modelo simple para la compleja operación de canales de iones.

Este modelo permite a los científicos medir una serie de propiedades relacionadas con el transporte de iones. Además, Los nanoporos de grafeno pueden, en última instancia, proporcionar a los científicos filtros mecánicos eficientes adecuados para procesos como eliminar la sal del agua del océano e identificar el ADN defectuoso en el material genético.

Michael Zwolak, científico del NIST, junto con Subin Sahu (quien está afiliado conjuntamente con NIST, el NanoCenter de la Universidad de Maryland y la Universidad Estatal de Oregon), también ha descubierto una forma de simular aspectos del comportamiento del canal iónico al tiempo que tiene en cuenta detalles tan intensivos en computación como las variaciones de escala molecular en el tamaño o la forma del canal.

Para pasar a través del canal de iones de una célula, que es un conjunto de proteínas con un poro de solo unos pocos átomos de ancho, Los iones deben perder algunas o todas las moléculas de agua unidas a ellos. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para hacerlo suele ser prohibitiva, por lo que los iones necesitan ayuda adicional. Obtienen esa ayuda del propio canal iónico, que está revestido con moléculas que tienen cargas opuestas a ciertos iones, y así ayuda a atraerlos. Es más, la disposición de estas moléculas cargadas proporciona un mejor ajuste para algunos iones frente a otros, creando un filtro altamente selectivo. Por ejemplo, ciertos canales iónicos están revestidos con moléculas cargadas negativamente que se distribuyen de tal manera que pueden acomodar fácilmente iones de potasio pero no iones de sodio.

Es la selectividad de los canales iónicos lo que los científicos quieren comprender mejor, tanto para aprender cómo funcionan los sistemas biológicos como porque la operación de estos canales puede sugerir una forma prometedora de diseñar filtros no biológicos para una gran cantidad de usos industriales.

Al recurrir a un sistema más simple, los nanoporos de grafeno, Zwolak, Sahu, y Massimiliano Di Ventra de la Universidad de California, San Diego, condiciones simuladas que se asemejan a la actividad de los canales iónicos reales. Por ejemplo, Las simulaciones del equipo demostraron por primera vez que los nanoporos se pueden hacer para permitir que solo algunos iones viajen a través de ellos cambiando el diámetro de los nanoporos grabados en una sola hoja de grafeno o agregando hojas adicionales. A diferencia de los canales de iones biológicos, sin embargo, esta selectividad proviene únicamente de la eliminación de moléculas de agua, un proceso conocido como deshidratación.

Los nanoporos de grafeno permitirán medir esta selectividad de solo deshidratación en una variedad de condiciones, otra nueva hazaña. Los investigadores informaron sus hallazgos en ediciones recientes de Nano letras y Nanoescala .

En otros dos preprints, Zwolak y Sahu abordan parte de la complejidad de simular la constricción y el transporte de iones a través de los canales de nanoporos. Cuando los teóricos simulan un proceso, eligen una "caja" de cierto tamaño en la que realizan esas simulaciones. La caja puede ser más grande o más pequeña, dependiendo de la amplitud y detalle del cálculo. Los investigadores demostraron que si las dimensiones del volumen de simulación se eligen de manera que la relación entre el ancho del volumen y su altura tenga un valor numérico particular, entonces la simulación puede capturar simultáneamente la influencia de la solución iónica circundante y detalles tan espinosos como fluctuaciones a nanoescala en el diámetro de los poros o la presencia de grupos químicos cargados. Este descubrimiento, que el equipo llama "la relación de aspecto áurea" para las simulaciones, simplificará enormemente los cálculos y conducirá a una mejor comprensión del funcionamiento de los canales iónicos. Dijo Zwolak.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.