نیوزتل: محققان در مطالعه ای جدید با الهام از کانال های طبیعی غشای سلولی، نانولوله های کربنی هوشمندی را طراحی نموده اند که در جواب تغییرات اسیدیته محیط باز و بسته می شوند و می توانند عبور آب و یون ها را در مقیاس تک مولکولی کنترل کنند؛ دستاوردی که می تواند زمینه ساز توسعه غشاهای تصفیه آب هوشمند، سامانه های دارورسانی هدفمند و سنسورهای زیستی فوق حساس باشد.
به گزارش نیوزتل به نقل از ایسنا، محققان در پژوهشی تازه موفق به طراحی نانولوله های کربنی شده اند که عملکردی مشابه کانال های زیستی غشای سلول دارند و می توانند در جواب تغییرات pH محیط، به شکل برگشت پذیر باز و بسته شوند.
در کانال هایی با عرضی در حدود یک نانومتر، عبور آب و یون ها با رفتارهایی متفاوت از مقیاس های بزرگ تر هم راه است. در این فضاهای محدود، مولکول های آب بشکل ردیفی و منظم حرکت می کنند و یون ها ناچار می شوند بخشی از پوسته آبی پیرامون خویش را کنار بگذارند؛ پدیده ای که به بروز خصوصیت های منحصربه فرد در انتقال یون منجر می شود. کانال های زیستی با تنظیم دقیق باز و بسته شدن منافذ، از این خصوصیت برای انجام عملکردهای پیچیده ای مانند انتقال سیگنال های عصبی بهره می برند.
بر مبنای نتایج مطالعه ای که در نشریه Nano Letters انتشار یافته است، محققان Lawrence Livermore National Laboratory و University of Maryland نانولوله های کربنی کوتاه و فلورسانتی را طراحی نموده اند که در دهانه خود دارای چارچوب های درپوش مانند هستند. این نانولوله ها درون غشاهای چربی مشابه دیواره سلولی قرار داده شدند تا کانال هایی با عرض کمتر از یک نانومتر ایجاد کنند.
نتایج نشان داد با اتصال یک درپوش مولکولی خاص به دهانه نانولوله، میتوان جریان آب و یون ها را کنترل کرد؛ به شکلی که در محیط اسیدی، درپوش بسته شده و منفذ را می بندد، اما در pH خنثی، کانال باز شده و عبور یون ها و مولکول های آب تقریبا بدون مانع صورت می گیرد. این سازوکار، نوعی «دروازه مولکولی» مصنوعی بوجود می آورد که عملکرد پروتئین های پورین در غشای سلولی را تقلید می کند.
برای ارزیابی دقیق تر عملکرد این سامانه، داده های تجربی با شبیه سازی های پیشرفته دینامیک مولکولی ترکیب شد. این شبیه سازی ها نشان داد تغییرات ساختاری درپوش، مستقیماً بر موانع انرژی ورود یون ها تاثیر می گذارد و احتمال باز ماندن کانال ها در شرایط اسیدی به صورت قابل توجهی کاسته می شود.
به نقل از ستاد نانو، محققان اعتقاد دارند طراحی چنین کانال های نانوسیالی پاسخگو می تواند نتایج گسترده ای در حوزه فناوری و پزشکی داشته باشد. غشاهای مصنوعی با قابلیت تنظیم پویای نفوذپذیری می توانند در فناوری های نمک زدایی و تصفیه آب کم مصرف، توسعه سنسورهای زیستی حساس و سیستم های رهایش هدفمند دارو مورد استفاده قرار گیرند.
به قول محققان، این رویکرد نشان داده است حتی یک گروه عاملی منفرد یا یک درپوش کوچک در دهانه منفذ می تواند یک نانولوله ایستا را به سامانه ای فعال و پاسخگو به محیط تبدیل کند؛ گامی مهم در جهت تقلید و مهندسی سیستم های پیچیده زیستی در مقیاس نانو.
در کانال هایی با عرضی در حدود یک نانومتر، عبور آب و یون ها با رفتارهایی متفاوت از مقیاس های بزرگ تر هم راه است. این شبیه سازی ها نشان داد تغییرات ساختاری درپوش، مستقیماً بر موانع انرژی ورود یون ها تأثیر می گذارد و احتمال باز ماندن کانال ها در شرایط اسیدی به شکل قابل توجهی کاهش می یابد.
