Des chercheurs de l'EPFL ont montré qu'une loi de la physique relative au transport des électrons à l'échelle nanométrique peut également être appliquée de manière analogue au transport des ions. Cette découverte donne un aperçu d'un aspect clé du fonctionnement des canaux ioniques au sein de nos cellules vivantes.

La membrane de toutes les cellules humaines contient de minuscules canaux à travers lesquels les ions passent à grande vitesse. Ces canaux ioniques jouent un rôle fondamental dans la façon dont les neurones, les cellules musculaires et les cellules cardiaques en particulier fonctionnent.

Les canaux ioniques sont extrêmement complexes, et de nombreuses questions restent sans réponse. Comment les canaux sélectionnent-ils les ions autorisés à passer ? Qu'est-ce qui explique la conductivité élevée des canaux ?

Chercheurs du Laboratoire de biologie nanométrique de l'EPFL, dirigé par Aleksandra Radenovic, ont démontré que le transport des ions pouvait être décrit par une loi de la physique appelée blocage de Coulomb. Cette découverte a été publiée dans Matériaux naturels . Leur observation pourrait améliorer notre compréhension du fonctionnement de ces canaux.

Une île aux ions

Pour effectuer leurs tests, les chercheurs ont créé un canal ionique artificiel en faisant un trou de moins d'un nanomètre dans un matériau bidimensionnel, le bisulfure de molybdène. Ensuite, ils ont mis ce matériau dans un appareil composé de deux électrodes avec une solution ionique de chaque côté. Quand ils ont appliqué une tension, ils ont pu mesurer les variations du courant entre les deux chambres. Contrairement au transport d'ions conventionnel dans des nanopores plus grands (> 1 nm), où le flux d'ions ne s'arrête jamais complètement, ils ont observé à basse tension des gaps énergétiques - des bandes sans courant - qui ont montré que les ions étaient retenus dans le nanopore jusqu'à ce que la tension appliquée soit suffisamment élevée pour faciliter leur traversée d'un côté du trou à l'autre.

Pour interpréter ces écarts énergétiques, les chercheurs ont effectué d'autres tests, comme jouer avec le pH du liquide, qui module la charge du pore. Des oscillations de conductance induites par le pH ont également été trouvées. Toutes ces mesures conduisent à la même conclusion :la manière dont les ions sont transportés s'explique en termes de blocage de Coulomb, une loi de la physique communément associée au transport des électrons dans les points quantiques.

Jusqu'à maintenant, le mécanisme caractérisé par le blocage de Coulomb a été observé en électronique, en particulier dans les particules semi-conductrices appelées points quantiques qui confinent étroitement des électrons ou des trous d'électrons dans les trois dimensions spatiales. Ces « îlots » ne peuvent contenir qu'un certain nombre d'électrons, avant de céder la place aux nouveaux venus. L'expérience menée par des chercheurs de l'EPFL a montré que le même phénomène se produisait avec le transport d'ions, quand il y avait un nanopore impliqué.

"Un certain nombre de théoriciens avaient prédit que le blocage de Coulomb pourrait également être appliqué aux canaux ioniques. Nous étions heureux de collaborer sur ce travail avec le professeur Massimiliano Di Ventra de l'Université de Californie, San Diego, " dit Radenovic. " Et nous leur avons donné raison, en observant ce phénomène pour la première fois à l'aide de nos nanopores." Jiandong Feng, l'auteur principal de l'article a ajouté :"Cette observation fournit beaucoup d'informations sur la façon dont les ions voyagent à travers le nanopore de taille sub-nanométrique, préparant le terrain pour les futures explorations du transport mésoscopique des ions."