Ученые из Японии создали миниатюрные поры, имитирующие ионные каналы живых организмов

Ионные каналы, представляющие собой крошечные отверстия, играют важную роль в движении заряженных частиц в биологических системах. Их узкие участки могут достигать всего нескольких ангстрем, что сопоставимо с размерами отдельных атомов. Воссоздание таких структур с высокой точностью является сложной задачей в области нанотехнологий. Исследователи из Университета Осаки сделали значительный шаг в этом направлении и поделились своими результатами в журнале Nature Communications.


В природе ионы перемещаются через белковые каналы, встроенные в клеточные мембраны, что позволяет генерировать электрические сигналы, такие как нервные импульсы, важные для сокращения мышц. Эти каналы состоят из белков, которые изменяют свою форму под воздействием внешних сигналов, открывая или закрывая проходы. Ученые разработали аналогичную твердотельную структуру, которая может создавать поры, размером близкие к биологическим ионным каналам. Исследование началось с создания нанопоры в мембране из нитрида кремния, которая затем была использована в качестве реакционной камеры для формирования еще меньших отверстий.

При приложении отрицательного напряжения к мембране начиналась химическая реакция, приводящая к образованию осадка, который со временем блокировал отверстие. Изменение полярности напряжения позволило растворить осадок и восстановить проводимость. Ведущий автор исследования, Макацу Цуцуи, отметил, что этот процесс открытия и закрытия пор можно повторять сотни раз за несколько часов, что демонстрирует его надежность.

Чтобы изучить процессы внутри мембраны, команда отслеживала ионный ток. Они заметили, что ток проявляет резкие всплески, аналогичные тем, что наблюдаются в биологических каналах. Дальнейшее исследование показало, что эти сигналы соответствуют образованию множества субнанометровых пор в исходной нанопоре. Исследователи также смогли управлять поведением пор, изменяя химический состав и pH растворов, что влияло на их размер и свойства.

Разработанная технология открывает новые горизонты в таких областях, как секвенирование ДНК и нейроморфные вычисления, поскольку она позволяет создавать множество сверхмалых пор в одной нанопоре. Это дает возможность изучать движение ионов и жидкостей в ограниченных пространствах, сопоставимых с живыми системами. Возможности точного контроля размеров атомарных пор могут в будущем привести к значительным прорывам в медицине и вычислительной технике, обеспечивая более точную диагностику и создание компьютеров, имитирующих работу мозга.

Читайте также: