نانولولههای هوشمند، ورود و خروج آب و یونها را کنترل میکنند
پژوهشگران در مطالعهای جدید با الهام از کانالهای طبیعی غشای سلولی، نانولولههای کربنی هوشمندی را طراحی کردهاند که در پاسخ به تغییرات اسیدیته محیط باز و بسته میشوند و میتوانند عبور آب و یونها را در مقیاس تکمولکولی کنترل کنند؛ دستاوردی که میتواند زمینهساز توسعه غشاهای تصفیه آب هوشمند، سامانههای دارورسانی هدفمند و حسگرهای زیستی فوقحساس باشد.
پژوهشگران در پژوهشی تازه موفق به طراحی نانولولههای کربنی شدهاند که عملکردی مشابه کانالهای زیستی غشای سلول دارند و میتوانند در پاسخ به تغییرات pH محیط، بهصورت برگشتپذیر باز و بسته شوند.
در کانالهایی با عرضی در حدود یک نانومتر، عبور آب و یونها با رفتارهایی متفاوت از مقیاسهای بزرگتر همراه است. در این فضاهای محدود، مولکولهای آب به شکل ردیفی و منظم حرکت میکنند و یونها ناچار میشوند بخشی از پوسته آبی پیرامون خود را کنار بگذارند؛ پدیدهای که به بروز ویژگیهای منحصربهفرد در انتقال یون منجر میشود. کانالهای زیستی با تنظیم دقیق باز و بسته شدن منافذ، از این ویژگی برای انجام عملکردهای پیچیدهای مانند انتقال سیگنالهای عصبی بهره میبرند.
بر اساس نتایج مطالعهای که در نشریه Nano Letters منتشر شده است، پژوهشگران Lawrence Livermore National Laboratory و University of Maryland نانولولههای کربنی کوتاه و فلورسانتی را طراحی کردهاند که در دهانه خود دارای ساختارهای درپوشمانند هستند. این نانولولهها درون غشاهای چربی مشابه دیواره سلولی قرار داده شدند تا کانالهایی با عرض کمتر از یک نانومتر ایجاد کنند.
نتایج نشان داد با اتصال یک درپوش مولکولی خاص به دهانه نانولوله، میتوان جریان آب و یونها را کنترل کرد؛ بهگونهای که در محیط اسیدی، درپوش بسته شده و منفذ را مسدود میکند، اما در pH خنثی، کانال باز شده و عبور یونها و مولکولهای آب تقریباً بدون مانع انجام میشود. این سازوکار، نوعی «دروازه مولکولی» مصنوعی ایجاد میکند که عملکرد پروتئینهای پورین در غشای سلولی را تقلید میکند.
برای ارزیابی دقیقتر عملکرد این سامانه، دادههای تجربی با شبیهسازیهای پیشرفته دینامیک مولکولی ترکیب شد. این شبیهسازیها نشان داد تغییرات ساختاری درپوش، مستقیماً بر موانع انرژی ورود یونها تأثیر میگذارد و احتمال باز ماندن کانالها در شرایط اسیدی بهطور قابل توجهی کاهش مییابد.
به نقل از ستاد نانو، پژوهشگران معتقدند طراحی چنین کانالهای نانوسیالی پاسخگو میتواند پیامدهای گستردهای در حوزه فناوری و پزشکی داشته باشد. غشاهای مصنوعی با قابلیت تنظیم پویای نفوذپذیری میتوانند در فناوریهای نمکزدایی و تصفیه آب کممصرف، توسعه حسگرهای زیستی حساس و سامانههای رهایش هدفمند دارو مورد استفاده قرار گیرند.
به گفته محققان، این رویکرد نشان میدهد حتی یک گروه عاملی منفرد یا یک درپوش کوچک در دهانه منفذ میتواند یک نانولوله ایستا را به سامانهای فعال و پاسخگو به محیط تبدیل کند؛ گامی مهم در جهت تقلید و مهندسی سامانههای پیچیده زیستی در مقیاس نانو.
نظر شما