Os canais iônicos são minúsculos poros que regulam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Essas vias estreitas são essenciais para muitas funções biológicas. Em alguns casos, suas partes compactas medem apenas alguns angstroms de diâmetro, aproximadamente a largura de átomos individuais. Reproduzir estas pequenas estruturas com precisão e consistência é um dos desafios mais difíceis da nanotecnologia.
Os pesquisadores da Universidade de Osaka deram agora um grande passo em direção a esse objetivo. escrito em Comunicação da naturezaA equipe descreve como eles usaram um pequeno reator eletroquímico para criar poros que interagem com dimensões subnanométricas.
Imitando os portais elétricos da natureza
Dentro da célula, os íons viajam através de canais proteicos especializados incorporados na membrana celular. Este movimento iônico cria sinais elétricos com impulsos nervosos responsáveis pela contração muscular. Os canais são feitos de proteínas e contêm regiões muito estreitas na escala angstrom. Quando expostas a sinais externos, estas proteínas mudam de forma, permitindo que os canais se abram ou fechem.
Inspirando-se neste sistema natural, os pesquisadores projetaram uma versão em estado sólido capaz de criar pequenos poros semelhantes aos canais iônicos biológicos. Eles começaram criando um nanoporo em uma membrana de nitreto de silício. Esse nanoporo atua então como uma pequena câmara de reação para criar poros ainda menores dentro dele.
Quando a equipe aplicou uma voltagem negativa através da membrana, iniciou uma reação química dentro do nanoporo. Esta reação produziu um precipitado sólido que se expandiu gradualmente até bloquear completamente a abertura. Ao restaurar os caminhos de condução através do poro contra a tensão, a descarga se dissolve.
“Conseguimos repetir este processo de abertura e fechamento centenas de vezes durante várias horas”, explicou o autor principal Makusu Tsutsui. “Isso mostra que o esquema de feedback é robusto e controlável.”
Picos elétricos revelam poros subnanômetros
Para entender melhor o que estava acontecendo dentro da membrana, os pesquisadores monitoraram a corrente iônica que passava por ela. Eles observaram picos acentuados na corrente, semelhantes aos padrões observados em canais iônicos biológicos. Análises posteriores indicaram que esses sinais eram mais consistentes com a formação de numerosos poros subnanômetros dentro do nanoporo original.
A equipe também descobriu que poderia ajustar o comportamento dos buracos. Ao ajustar a composição química e o pH das soluções reagentes, eles alteraram o tamanho e as propriedades das aberturas ultrapequenas.
“Conseguimos alterar o comportamento e o tamanho efetivo dos microporos alterando a composição e o pH das soluções reagentes”, relata Tomoji Kawai, autor sênior. “Isso permitiu o transporte seletivo de íons de diferentes tamanhos efetivos através da membrana, ajustando os tamanhos dos poros ultrapequenos.”
Aplicações em Sequenciamento de DNA e Computação Neuromórfica
Esta abordagem quimicamente orientada torna possível criar vários poros ultrapequenos dentro de um único nanoporo. A técnica oferece uma nova maneira de estudar como os íons e fluidos se movem através de espaços altamente confinados em uma escala comparável à dos sistemas vivos.
Além da investigação básica, a tecnologia pode apoiar campos emergentes como a detecção de moléculas únicas (por exemplo, utilização de nanoporos em sequências de ADN), computação neuromórfica (utilização de picos eléctricos para imitar o comportamento de neurónios biológicos) e nanoactores (criação de cenários de resposta únicos através do confinamento).
