Dans cette simulation, une membrane biologique (grise) avec un canal ionique (au centre) est immergée dans une solution d'eau et d'ions. Cette coupe transversale d'une "boîte" de simulation montre le potentiel électrique, la "force" fournie de l'extérieur qui entraîne les ions à travers le canal. Un motif éblouissant émerge dans ce potentiel en raison de la présence du canal - les couleurs montrent les lignes de potentiel égal. La nature lentement décroissante de ce motif dans l'espace rend les simulations difficiles. Le rapport hauteur/largeur doré - le rapport hauteur/largeur choisi pour cette boîte - permet à de petites simulations de capturer efficacement l'effet des grandes dimensions spatiales de l'expérience. Crédit :NIST
De minuscules pores à l'entrée d'une cellule agissent comme des videurs miniatures, laissant entrer certains atomes chargés électriquement, les ions, mais en bloquant d'autres. Fonctionnant comme des filtres extrêmement sensibles, ces "canaux ioniques" jouent un rôle essentiel dans les fonctions biologiques telles que la contraction musculaire et l'activation des cellules cérébrales. Pour transporter rapidement les bons ions à travers la membrane cellulaire, les minuscules canaux reposent sur une interaction complexe entre les ions et les molécules environnantes, en particulier l'eau, qui ont une affinité pour les atomes chargés. Mais ces processus moléculaires sont traditionnellement difficiles à modéliser – et donc à comprendre – à l'aide d'ordinateurs ou de structures artificielles.
Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont démontré que des pores à l'échelle nanométrique gravés dans des couches de graphène - des feuilles de carbone atomiquement minces réputées pour leur résistance et leur conductivité - peuvent fournir un modèle simple pour le fonctionnement complexe de canaux ioniques.
Ce modèle permet aux scientifiques de mesurer une multitude de propriétés liées au transport des ions. En outre, les nanopores de graphène pourraient finalement fournir aux scientifiques des filtres mécaniques efficaces adaptés à des processus tels que l'élimination du sel de l'eau de mer et l'identification de l'ADN défectueux dans le matériel génétique.
Le scientifique du NIST Michael Zwolak, avec Subin Sahu (qui est affilié conjointement avec le NIST, le NanoCenter de l'Université du Maryland et l'Université d'État de l'Oregon), a également découvert un moyen de simuler des aspects du comportement des canaux ioniques tout en prenant en compte des détails aussi gourmands en calculs que les variations à l'échelle moléculaire de la taille ou de la forme du canal.
Pour passer à travers le canal ionique d'une cellule, qui est un assemblage de protéines avec un pore de seulement quelques atomes de large, les ions doivent perdre tout ou partie des molécules d'eau qui leur sont liées. Cependant, la quantité d'énergie nécessaire pour le faire est souvent prohibitive, les ions ont donc besoin d'une aide supplémentaire. Ils obtiennent cette assistance du canal ionique lui-même, qui est tapissé de molécules qui ont des charges opposées à certains ions, et contribue ainsi à les attirer. De plus, l'arrangement de ces molécules chargées offre un meilleur ajustement pour certains ions par rapport à d'autres, créant un filtre hautement sélectif. Par exemple, certains canaux ioniques sont tapissés de molécules chargées négativement qui sont réparties de telle manière qu'elles peuvent facilement accueillir des ions potassium mais pas des ions sodium.
C'est la sélectivité des canaux ioniques que les scientifiques veulent mieux comprendre, à la fois pour apprendre comment fonctionnent les systèmes biologiques et parce que l'exploitation de ces canaux peut suggérer un moyen prometteur de concevoir des filtres non biologiques pour une multitude d'utilisations industrielles.
En se tournant vers un système plus simple, les nanopores de graphène, Zwolak, Sahu, et Massimiliano Di Ventra de l'Université de Californie, San Diego, conditions simulées qui ressemblent à l'activité des canaux ioniques réels. Par exemple, les simulations de l'équipe ont démontré pour la première fois que les nanopores pouvaient être créés pour permettre à seulement certains ions de les traverser en modifiant le diamètre des nanopores gravés dans une seule feuille de graphène ou en ajoutant des feuilles supplémentaires. Contrairement aux canaux ioniques biologiques, cependant, cette sélectivité provient de l'élimination des molécules d'eau uniquement, un processus connu sous le nom de déshydratation.
Les nanopores de graphène permettront de mesurer cette sélectivité de déshydratation uniquement dans diverses conditions, encore un nouvel exploit. Les chercheurs ont rendu compte de leurs découvertes dans des numéros récents de Lettres nano et Nanoéchelle .
Dans deux autres prépublications, Zwolak et Sahu abordent une partie de la complexité de la simulation de la constriction et du transport des ions à travers les canaux nanopores. Quand les théoriciens simulent un processus, ils choisissent une certaine "boîte" de taille dans laquelle ils effectuent ces simulations. La boîte peut être plus grande ou plus petite, selon l'ampleur et le détail du calcul. Les chercheurs ont montré que si les dimensions du volume de simulation sont choisies de telle sorte que le rapport entre la largeur du volume et sa hauteur ait une valeur numérique particulière, alors la simulation peut capturer simultanément l'influence de la solution ionique environnante et des détails épineux tels que les fluctuations nanométriques du diamètre des pores ou la présence de groupes chimiques chargés. Cette découverte, que l'équipe appelle « le golden aspect ratio » pour les simulations, simplifiera grandement les calculs et conduira à une meilleure compréhension du fonctionnement des canaux ioniques, dit Zwolak.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
