Pour la première fois, l'insertion spontanée de nanotubes de carbone (CNT) dans des membranes cellulaires naturelles et synthétiques pour former des pores qui imitent les canaux biologiques a été démontrée. Malgré leur structure extrêmement simple, ces pores de membranes NTC reproduisent les comportements fonctionnels majeurs des porines (canaux biologiques à base de protéines), comme le transport sélectif de protons, l'eau, ions, et de petites molécules.

La conception prédictive et la création de membranes synthétiques robustes qui reproduisent les processus de transport hautement efficaces et sélectifs des canaux biologiques est un objectif ambitieux. Les porines de NTC développées ici sont des plateformes biomimétiques prometteuses pour les études nanofluidiques, la construction d'interfaces bioélectroniques et de cellules synthétiques, et servant de composants clés pour les systèmes de séparation à membrane économes en énergie.

Pour la première fois, un procédé d'insertion spontanée de nanotubes de carbone (CNT) dans des membranes cellulaires, à la fois naturel et synthétique, pour former des pores qui imitent les canaux biologiques a été démontré. Robuste, les membranes synthétiques qui reproduisent les processus de transport hautement efficaces et sélectifs des canaux biologiques sont très recherchées mais n'ont pas encore été réalisées. On pense que les NTC sont les meilleurs candidats pour imiter le transport biologique en raison de la similitude de la structure de leurs pores internes avec celle des principaux canaux biologiques et de la possibilité que, basé sur la modélisation informatique, les NTC pourraient s'auto-insérer dans les membranes biologiques. Cependant, la création de telles structures membranaires hybrides est restée un défi de taille.

Maintenant, une équipe dirigée par des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory et comprenant des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory, l'Université de Californie à Berkeley, et l'Université du Pays Basque en Espagne a formé une membrane hybride en créant des canaux membranaires à partir de NTC courts. Ils ont découvert que les NTC fonctionnalisés avec des molécules lipidiques (gras) s'insèrent spontanément dans les membranes cellulaires, à la fois naturel et synthétique. Surtout, l'insertion des petits NTC dans des parois cellulaires vivantes leur a permis de s'interfacer directement avec un véritable système biologique, quelque chose d'impossible avec les CNT longs.

Cette interface a permis d'étudier la physique fondamentale du transport des nanopores à l'aide d'un modèle qui se rapproche davantage d'un canal ionique et qui imite le transport dans les pores biologiques. Malgré leur structure extrêmement simple, ces pores membranaires reproduisent le comportement fonctionnel majeur des canaux biologiques, comme le transport sélectif de protons, l'eau, ions, et de petites molécules. Les NTC n'affectent pas l'intégrité de la membrane. La microscopie électronique a révélé que l'insertion n'est pas sélective pour une longueur de nanotube particulière. Par ailleurs, une orientation quasi perpendiculaire des NTC à l'intérieur de la membrane est fortement préférée, contrairement aux prédictions précédentes basées sur la simulation.

Malgré d'importantes variations de longueur des NTC, les propriétés de transport de ces membranes hybrides, appelés « porines CNT » (où le terme porines désigne des canaux biologiques à base de protéines), sont extrêmement bien définis, suggérant fortement que le transport à travers les pores des NTC est dirigé uniquement par les barrières à la sortie et à l'entrée des pores. En outre, le confinement à l'échelle nanométrique des ions dans le canal hydrophobe étroit donne lieu à une fluctuation du courant ionique, imitant le processus de déclenchement on-off du transport d'ions qui se produit dans les canaux biologiques. Cumulativement, ces résultats indiquent que les matériaux hybrides ont des applications membranaires utiles. Ces applications incluent la fourniture d'une plate-forme pour les études nanofluidiques, construire des interfaces bioélectroniques et des cellules artificielles, et servant de composants clés pour les systèmes de séparation par membrane à haut rendement énergétique.