Los canales iónicos son vías estrechas que desempeñan un papel fundamental en muchos procesos biológicos. Para modelar cómo se mueven los iones a través de estos espacios reducidos, es necesario fabricar poros a escalas de longitud muy pequeñas. Las regiones más estrechas de los canales iónicos pueden tener solo unos pocos angstroms de ancho, aproximadamente el tamaño de átomos individuales, lo que convierte su fabricación reproducible y precisa en un gran desafío para la nanotecnología moderna.
En un estudio publicado en Nature Communications, investigadores de la Universidad de Osaka han abordado este desafío utilizando un minúsculo reactor electroquímico para crear poros ultrapequeños que se acercan a dimensiones subnanométricas.
En las células biológicas, los iones fluyen hacia adentro y hacia afuera a través de canales en las membranas celulares. Este flujo iónico es la base para generar señales eléctricas, como impulsos nerviosos que desencadenan la contracción muscular. Los propios canales están formados por proteínas y pueden tener regiones estrechas de ancho angstrom. Los cambios conformacionales de estas proteínas en respuesta a estímulos externos abren y cierran los canales.
Inspirados por estos sistemas biológicos, el equipo de investigación desarrolló un análogo en estado sólido que permite la formación de poros subnanométricos que se acercan a las dimensiones de los canales iónicos biológicos. Se utilizó un nanoporo como reactor para formar los poros subnanométricos. Primero, se creó el nanoporo en una membrana de nitruro de silicio. La aplicación de un voltaje negativo a través de la membrana indujo una reacción en el poro que produjo un precipitado. El precipitado creció hasta que el poro quedó completamente bloqueado. La aplicación de un voltaje positivo a la membrana provocó la disolución del precipitado y la reapertura de las vías conductoras dentro del poro.
“Pudimos repetir este proceso de apertura y cierre cientos de veces durante varias horas”, explica el autor principal Makusu Tsutsui. “Esto demuestra que el esquema de reacción es robusto y controlable”.
El equipo midió la corriente iónica a través de la membrana. Hubo picos en la corriente, que también se han observado en los canales biológicos. El análisis de estos picos sugiere que la formación de precipitado es más consistente con la formación de muchos poros subnanométricos dentro del nanoporo.
“Pudimos variar el comportamiento y el tamaño efectivo de los poros ultrapequeños cambiando la composición y el pH de las soluciones reactivas”, informa Tomoji Kawai, autor senior. “Esto permitió el transporte selectivo de iones de diferentes tamaños efectivos a través de la membrana ajustando el tamaño de los poros ultrapequeños”.
El novedoso esquema de reacción permite la formación de muchos poros ultrapequeños dentro de un solo nanoporo. Esta vía proporciona una herramienta poderosa para realizar estudios fundamentales sobre el transporte de iones y fluidos en espacios altamente confinados a escalas biológicas. El sistema de membrana impulsado químicamente promete aplicaciones en tecnologías emergentes como la detección de moléculas individuales (por ejemplo, utilizando nanoporos para secuenciar ADN), la computación neuromórfica (utilizando picos eléctricos para imitar el comportamiento de las neuronas biológicas) y los nanorreactores (creando condiciones de reacción únicas a través del confinamiento).
