پژوهشگران با الهام از کانالهای طبیعی موجود در غشای سلولها، موفق به ساخت نانولولههای کربنی هوشمندی شدهاند که درب آنها با تغییر اسیدی یا قلیایی شدن محیط، باز و بسته میشود. این فناوری که مانند یک دروازه مولکولی عمل میکند، میتواند جریان آب و یونها را با دقت تکمولکولی کنترل نماید. این دستاورد، راه را برای ساخت غشاهای تصفیه آب هوشمند، سیستمهای دارورسانی هدفمند و حسگرهای زیستی فوقحساس هموار میسازد.
دروازهبانان نانویی: نانولولههای کربنی با حسگری اسیدیته، جریان آب و یونها را کنترل میکنند
نانولولههای کربنی میتوانند در پاسخ به اسیدیته محیط باز و بسته شده و آب و یونها را تکتک هدایت کنند؛ عملکردی که تقلیدی از نحوه کار کانالهای طبیعی سلول است.
زمانی که آب و یونها از کانالهایی به عرض تنها یک نانومتر به صورت دستهجمعی عبور میکنند، رفتاری غیرمعمول از خود نشان میدهند. در این فضاهای تنگ، مولکولهای آب به صورت ردیفی و پشت سر هم صف میکشند. این پدیده، یونها را وامیدارد تا برخی از مولکولهای آبی که به طور معمول آنها را احاطه کردهاند، رها کنند و این امر منجر به فیزیک منحصربهفرد انتقال یون میشود. کانالهای زیستی در این رفتار به ویژه ماهر هستند و اغلب با تنظیم دقیق باز و بسته شدن کانالها، به رفتارهای پیچیدهای مانند انتقال سیگنال در سیستم عصبی دست مییابند.
در مطالعهای جدید که در نشریه نانو لترز (Nano Letters) با عنوان «انتقال یون در پورینهای نانولوله کربنی مجهز به یک دروازه ورودی با قابلیت تعویض بر اساس pH» منتشر شده، پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory – LLNL) و دانشگاه مریلند (University of Maryland)، نانولولههای کربنی را طراحی کردهاند که دهانههای آنها بسته به میزان اسیدیته (pH) میتوانند به طور برگشتپذیر باز و بسته شوند. حاصل این کار، یک «دروازه مولکولی» مصنوعی است که عملکرد پروتئینهای بشکهای شکل موسوم به «پورین» (Porins) را تقلید میکند. این پروتئینها با ایجاد منافذی در غشای سلول، به مولکولهای خاصی اجازه عبور میدهند.
ساخت یک درپوش مولکولی هوشمند
پژوهشگران با استفاده از یک فرآیند شیمیایی، نانولولههای کوتاه و فلورسانتی با ساختارهای درپوشمانند مشخصی در انتهای آنها ایجاد کردند. سپس این لولههای ریز را درون غشاهای چربی که تقلیدی از دیواره سلولی هستند، قرار دادند و کانالهایی با عرض کمتر از یک نانومتر تشکیل دادند که آب و یونها را مجبور به حرکت در یک صف تکتک میکنند.
این تیم کشف کرد که با اتصال یک «درپوش» خاص به لبه نانولوله، میتوانند جریان مولکولها را کنترل کنند. جوبایر عبدالله، نویسنده اصلی و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشگاه کالیفرنیا، مرسد و آزمایشگاه لیورمور، در این باره توضیح داد: «ما مشاهده کردیم که در pH اسیدی، درپوش مولکولی بسته شد و به طور فیزیکی منفذ را مسدود کرد. در pH خنثی، درپوش باز شد و به یونها و آب اجازه داد تا تقریباً بدون مانع عبور کنند.»
تأیید با شبیهسازیهای رایانهای پیشرفته
برای تأیید اثربخشی این درپوش، تیم پژوهش، اندازهگیریهای تجربی خود را با شبیهسازیهای دینامیک مولکولی اصول اولیه شتابگرفته با یادگیری ماشین ترکیب کرد. این شبیهسازیها نشان دادند که چگونه تغییرات ساختاری (کانفورماسیونی) درپوش، موانع ورود یون را تغییر میدهد. مارگارت برنز، از نویسندگان و دانشمند آزمایشگاه لیورمور، گفت: «شبیهسازیهای ما آشکار کرد که احتمال باز ماندن کانالها تحت شرایط pH اسیدی به میزان قابل توجهی کاهش مییابد که این امر، حرکت مولکولی را مستقیماً به جریان ماکروسکوپی مرتبط میسازد.»
کاربردهای گسترده در فناوری و پزشکی
توانایی طراحی کانالهای نانوسیالی پاسخگو مانند آنچه در اینجا ارائه شده، پیامدهای مهمی دارد. الکساندر نوی، نویسنده مسئول و دانشمند آزمایشگاه لیورمور، خاطرنشان کرد: «غشاهای مصنوعی که بتوانند به صورت پویا نفوذپذیری خود را تنظیم کنند، میتوانند برای فناوریهای نمکزدایی، حسگری زیستی و رهایش دارو سودمند باشند و در عین حال ابزارهای جدیدی برای مطالعه چگونگی دستیابی کانالهای زیستی به انتقال انتخابی یون فراهم آورند.»
آن فام، دیگر دانشمند آزمایشگاه لیورمور و از نویسندگان این مقاله نیز افزود: «این کار، فضای طراحی برای سامانههای نانوسیالی را با نشان دادن این موضوع گسترش میدهد که حتی یک گروه عاملی منفرد یا یک درپوش در دهانه منفذ، میتواند یک نانولوله ایستا را به یک دروازه فعال و پاسخگو به محیط تبدیل کند.»
این دستاورد، گامی مهم در جهت درک و تقلید از پیچیدهترین سامانههای کنترل طبیعت در مقیاس نانومتری است. فناوریهایی که از این اصل بهره میبرند، پتانسیل آن را دارند تا انقلابی در تصفیه آب با مصرف انرژی کمتر، ساخت حسگرهای فوقحساس برای تشخیص بیماریها و توسعه سامانههای دارورسانی هوشمندی ایجاد کنند که دارو را دقیقاً در پاسخ به شرایط خاص سلولهای بیمار (مانند اسیدی شدن محیط تومورهای سرطانی) آزاد میسازند.
