Прогнозирующий дизайн и создание прочных синтетических мембран, которые воспроизводят высокоэффективные и избирательные процессы переноса биологических каналов, является сложной задачей. Разработанные здесь порины УНТ являются многообещающими биомиметическими платформами для исследований наножидкостей, построения биоэлектронных интерфейсов и синтетических ячеек, а также служат ключевыми компонентами для энергоэффективных систем разделения на основе мембран.Впервые продемонстрирован процесс самопроизвольного внедрения углеродных нанотрубок (УНТ) в клеточные мембраны, как естественные, так и синтетические, с образованием пор, имитирующих биологические каналы. Надежные синтетические мембраны, которые воспроизводят высокоэффективные и избирательные транспортные процессы биологических каналов, очень востребованы, но еще не реализованы.
Считается, что УНТ являются лучшими кандидатами для имитации биологического транспорта из-за сходства структуры их внутренней поры со структурой основных биологических каналов и возможности того, что на основе компьютерного моделирования УНТ могут самостоятельно вставляться в биологические мембраны. Однако создание таких гибридных мембранных структур остается сложной задачей. Теперь команда, возглавляемая учеными Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и в которую входят ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Страны Басков в Испании, сформировала гибридную мембрану, создав мембранные каналы из коротких УНТ.
Они обнаружили, что УНТ, функционализированные липидными (жировыми) молекулами, спонтанно внедряются в клеточные мембраны, как естественные, так и синтетические.Важно отметить, что введение небольших УНТ в стенки живых клеток позволило им напрямую взаимодействовать с реальной биологической системой, что невозможно с длинными УНТ. Этот интерфейс позволил исследовать фундаментальную физику переноса нанопор с использованием модели, которая более близко приближается к ионному каналу и имитирует перенос в биологических порах. Несмотря на чрезвычайно простую структуру, эти мембранные поры воспроизводят основное функциональное поведение биологических каналов, такое как избирательный транспорт протонов, воды, ионов и небольших молекул.
УНТ не влияют на целостность мембраны. Электронная микроскопия показала, что введение не является селективным по отношению к определенной длине нанотрубки. Более того, почти перпендикулярная ориентация УНТ внутри мембраны является настоятельно предпочтительной, в отличие от предыдущих прогнозов, основанных на моделировании.
Несмотря на значительные вариации длины УНТ, транспортные свойства этих гибридных мембран, называемых «поринами УНТ» (где термин «порины» относится к биологическим каналам на основе белков), чрезвычайно хорошо определены, что позволяет предположить, что транспорт через поры УНТ направляется только барьеры на выходе и входе в поры. Кроме того, наноразмерное удержание ионов в узком гидрофобном канале приводит к флуктуациям ионного тока, имитируя процесс включения-выключения ионного транспорта, который происходит в биологических каналах. В совокупности эти результаты указывают на то, что гибридные материалы имеют полезные мембранные применения. Эти приложения включают предоставление платформы для исследований наножидкостей, создание биоэлектронных интерфейсов и искусственных ячеек, а также использование в качестве ключевых компонентов для энергоэффективных систем мембранного разделения.
Департамент науки Министерства энергетики США, фундаментальные энергетические науки (исследования характеристик и переноса, а также исследования в Molecular Foundry, пользовательское учреждение Управления науки) и программа лабораторных исследований и разработок в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) (синтез). Индивидуальную поддержку оказали Ливерморская программа для аспирантов в LLNL (R.T.) и летняя стипендия для подготовки офицеров запаса (D.M.).
В.Ф. признает частичную поддержку со стороны Министерства экономики и конкурентоспособности Испании, грант BFU2012-34885, и Правительства Басков, грант IT838-13.