Minúsculos poros na entrada de uma célula agem como seguranças em miniatura, permitindo a entrada de alguns átomos eletricamente carregados - íons - mas bloqueando outros. Operando como filtros extremamente sensíveis, esses "canais iônicos" desempenham um papel crítico nas funções biológicas, como a contração muscular e o disparo das células cerebrais. Para transportar rapidamente os íons certos através da membrana celular, os minúsculos canais dependem de uma interação complexa entre os íons e as moléculas circundantes, particularmente água, que têm afinidade com os átomos carregados. Mas esses processos moleculares têm sido tradicionalmente difíceis de modelar - e, portanto, de entender - usando computadores ou estruturas artificiais.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas demonstraram que poros em escala nanométrica gravados em camadas de grafeno - folhas atomicamente finas de carbono conhecidas por sua força e condutividade - podem fornecer um modelo simples para a operação complexa de canais iônicos.

Este modelo permite aos cientistas medir uma série de propriedades relacionadas ao transporte de íons. Além disso, Os nanoporos de grafeno podem fornecer aos cientistas filtros mecânicos eficientes, adequados para processos como a remoção de sal da água do oceano e a identificação de DNA defeituoso em material genético.

O cientista do NIST Michael Zwolak, junto com Subin Sahu (que é afiliado ao NIST, a University of Maryland NanoCenter e a Oregon State University), também descobriu uma maneira de simular aspectos do comportamento do canal de íons enquanto leva em conta detalhes computacionalmente intensos, como variações em escala molecular no tamanho ou forma do canal.

Para espremer através do canal iônico de uma célula, que é um conjunto de proteínas com um poro de apenas alguns átomos de largura, Os íons devem perder algumas ou todas as moléculas de água ligadas a eles. Contudo, a quantidade de energia necessária para fazer isso costuma ser proibitiva, então os íons precisam de alguma ajuda extra. Eles obtêm essa assistência do próprio canal iônico, que é alinhado com moléculas que têm cargas opostas a certos íons, e assim ajuda a atraí-los. Além disso, o arranjo dessas moléculas carregadas fornece um melhor ajuste para alguns íons em comparação com outros, criando um filtro altamente seletivo. Por exemplo, certos canais iônicos são revestidos com moléculas carregadas negativamente que são distribuídas de tal forma que podem facilmente acomodar os íons de potássio, mas não os íons de sódio.

É a seletividade dos canais iônicos que os cientistas querem entender melhor, para aprender como os sistemas biológicos funcionam e porque a operação desses canais pode sugerir uma maneira promissora de projetar filtros não biológicos para uma série de usos industriais.

Ao recorrer a um sistema mais simples - nanoporos de grafeno - Zwolak, Sahu, e Massimiliano Di Ventra da Universidade da Califórnia, San Diego, condições simuladas que se assemelham à atividade dos canais iônicos reais. Por exemplo, as simulações da equipe demonstraram pela primeira vez que os nanoporos poderiam ser feitos para permitir que apenas alguns íons viajassem através deles, alterando o diâmetro dos nanoporos gravados em uma única folha de grafeno ou adicionando folhas adicionais. Ao contrário dos canais iônicos biológicos, Contudo, essa seletividade vem apenas da remoção de moléculas de água, um processo conhecido como desidratação.

Os nanoporos de grafeno permitirão que essa seletividade apenas por desidratação seja medida sob uma variedade de condições, outro novo feito. Os pesquisadores relataram suas descobertas em edições recentes da Nano Letras e Nanoescala .

Em duas outras pré-impressões, Zwolak e Sahu abordam parte da complexidade na simulação da constrição e transporte de íons através dos canais nanopore. Quando os teóricos simulam um processo, eles escolhem uma determinada "caixa" de tamanho em que realizam essas simulações. A caixa pode ser maior ou menor, dependendo da amplitude e dos detalhes do cálculo. Os pesquisadores mostraram que, se as dimensões do volume da simulação forem escolhidas de forma que a relação entre a largura do volume e sua altura tenha um determinado valor numérico, então, a simulação pode capturar simultaneamente a influência da solução iônica circundante e detalhes espinhosos como flutuações em nanoescala no diâmetro dos poros ou a presença de grupos químicos carregados. Esta descoberta - que a equipe chama de "a proporção de ouro" para simulações - simplificará muito os cálculos e levará a uma melhor compreensão da operação dos canais de íons, Zwolak disse.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.