Pol Dailing, Çikaqo Universiteti

Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriSüni 2D kanallarda ion qarşılıqlı əlaqəsini araşdırmaq. Kredit: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61307-x

Hər canlı hüceyrədə membranlar və hər membranda hər biri kimyəvi qapıçı rolunu oynayan zülallar var.

Bu biokimyəvi tullantılar ionların hüceyrəyə passiv şəkildə keçməsinə icazə vermək əvəzinə, qapını geniş atır və ya lazım olduqda bağlayır. Hüceyrəyə ehtiyac duyduqda kalium və ya natrium kimi daha çox həyat təmin edən materialları hüceyrələrin bioloji ion kanalları vasitəsilə buraxırlar , lakin kimyəvi konsentrasiya çox yüksək olana qədər axını dayandırırlar.

UChicago Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin (UChicago PME) dos. Prof. Chong Liu.

Bu, bioloqların tədqiq etdiyi və mühəndislərin illərdir həsəd apardığı bir prosesdir. Membranları bəzən daha çox materialın daxil olmasına imkan vermək və bəzən onları kənarda saxlamaq qabiliyyəti insanların suyu içmək üçün təhlükəsiz etməsində və okeanlardan, göllərdən və çaylardan zərərli və ya qiymətli kimyəvi maddələri təmizləməsində inqilab edə bilər.

Şimal-Qərb Universitetinin kimya professoru George Schatz, “Təbii ki, bu və ya digər şəkildə bu bioloji xassələri təqlid edəcək süni sistemlər qura biləcəyinizi görmək maraq doğurur” dedi.

UChicago PME və Northwestern komandaları Nature Communications -da həm bu sirri həll edən, həm də ion nəqlinin necə işlədiyinə dair yeni anlayışları ortaya qoyan yeni bir məqalənin arxasındadır .

Fərqli miqdarda qurğuşun, kobalt və ya barium ionları əlavə etməklə, komanda onun süni membrandan keçən kaliumun miqdarını əhəmiyyətli dərəcədə artıra və ya məhdudlaşdıra bilər, hüceyrələrin öz bioloji membranlarını xatırlamaq qabiliyyətini təqlid edə bilər. Komandanın daha diqqətəlayiq tapıntıları arasında qurğuşun ionlarının mövcudluğunda cəmi 1% artımın kanallardan gələn kaliumun miqdarını iki dəfə artırması idi.

“Tədqiqatımızın ən maraqlı tərəfi odur ki, biz anqstrom miqyaslı 2D kanallarında ion nəqlinin digər ionların iştirakı ilə, hətta kiçik bir hissə ilə də necə dramatik şəkildə dəyişdirilə biləcəyini göstəririk” dedi həmtəsisçi Mingzhan Wang.

Suyun təmizlənməsi və material çıxarılması kimi tətbiqlərə əlavə olaraq , tədqiqat fiziklərə və bioloqlara ionların və hüceyrələrin niyə belə davrandıqlarını daha yaxşı anlamağa kömək edərək, saf elmdə irəliləyişi təmsil edir.UChicago Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbindən Chong Liu və Northwestern-dən George Schatzın rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar, hüceyrələrin öz bioloji membranlarını xatırlamaq qabiliyyətini təqlid edərək, atom miqyasında kimyəvi nəqli selektiv şəkildə idarə edən tənzimlənə bilən sistem hazırlayıblar. Kredit: UChicago Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbi / John Zich

Qapını açmaq

İon nəqli kanalları məhz onlar kimi səslənir – ionlar üçün tunellər.

Hüceyrələrdə bu nanoölçülü tunellər hüceyrə membranlarından keçir; cihazlarda, plastik filtrlər və ya digər membranlar vasitəsilə. Müsbət yüklü kalium bu tədqiqatda istifadə edilən mənfi yüklü tuneldən yavaş-yavaş süzülür, mənfi yüklü xlorid (xlor elementini ehtiva edən ionlar) isə keçmişə keçir.

Wang və Liu Argonne-nin rəhbərlik etdiyi Enerji-Su Sistemləri üçün Qabaqcıl Materiallar (AMEWS) Mərkəzi vasitəsilə Schatz ilə əlaqə quraraq layihəni düşünüblər. Schatzın nəzəri qrupunun həmtəsisçisi olan Qinsi Xiong, Schatzın sözləri ilə desək, sıfırdan tamamilə yeni bir model qurana qədər bunun arxasında duran mexanizm aydın deyildi.

“Biz ion-induksiyalı dipol qarşılıqlı təsirini daxil etmək və bu 2D nanokanal vasitəsilə ion nəqlini simulyasiya etmək üçün qeyri-tarazlıq molekulyar dinamika simulyasiyasını hazırladıq ” dedi. “Nəticələrimiz təcrübələrlə yaxşı uyğunlaşdı və bu, daxil etdiyimiz fizikanın düzgün yolda olduğunu göstərir.”

İonların müsbət və ya mənfi yükü var , yəni ion kanalının divarlarında yüklü atomlar və ya molekullar səyahətçiləri itələyir və ya çəkir.

Lakin qurğuşun ionları əlavə edildikdə, bu ionlar tunel divarlarında asetat qruplarına bağlanır. Müsbət yüklü qurğuşun ionları mənfi yüklü xloridləri çəkir, xloridləri dayandırmaq üçün kifayət etmir, sadəcə onları kalium ionlarının sürətinə qədər yavaşlatır.

Xloridlər və kalium ionları tuneldə eyni sürətlə hərəkət etdikdən sonra onlar neytral olan kalium xlorid cütlərini əmələ gətirirlər, buna görə də onlar kanaldan maneəsiz axır və membrandan keçən kaliumun miqdarını artırırlar.

Schatz, “Onun qarşılıqlı əlaqədə olmaq istədiyi heç bir yük yoxdur və bu, yeni molekulun iki ion ayrı-ayrılıqda kanaldan axdığı təqdirdə meydana gələndən daha sürətli axmasına imkan verir” dedi.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Və onu bağlamaq

Bu kooperativ təsirə əlavə olaraq, komanda kanallar vasitəsilə axan kaliumun miqdarını artırmaq əvəzinə məhdudlaşdırmaq üçün bir yol mənasını verən inhibitor təsir də kəşf etdi.

Kiçik miqdarda kobalt və ya barium ionları əlavə etdikdə, bu metal ionları tunel divarlarında asetat qruplarına bağlana biləcək ləkələr üçün qurğuşun ionları ilə rəqabət aparırdılar. Bu, qurğuşunun bu ionlara təsirini məhdudlaşdırır və eyni zamanda nəqli gücləndirə bilən neytral ion cütlərinin formalaşması azalır.

“İon növlərinin birləşməsini dəyişdirərək, biz kooperativ təsirdən inhibitor təsirə keçə bildik ” dedi Xiong. “Yenə də əsas fizikanı başa düşmək vacibdir.”

Tədqiqatın növbəti addımlarına qurğuşundan başqa hansı materialların bu effekti yarada biləcəyini və onun kaliumdan başqa elementlərin axınına nəzarət etmək üçün genişləndirilə biləcəyini görmək daxildir. Hədəflərdən biri batareyalarda istifadəsinə görə qiymətləndirilən, lakin hazırda ətraf mühitə zərər verən üsullarla sudan yığılan litium olacaq.

“Multivalentli ion effektli tədqiqatlar nan mayenin yüksələn sahəsində əsasən gizli olaraq qalır” dedi Wang. “Əlbəttə, bizim protokollarımız digər nano-maye sistemlərinə də şamil edilə bilər və gələcəkdə oradan daha çox şey gözləmək olar”.

Daha çox məlumat: Mingzhan Wang et al, Funksionallaşdırılmış angstrom miqyaslı iki ölçülü kanallarda kooperativ və inhibitor ion nəqli, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61307-x

Jurnal məlumatı: Nature Communications 

Çikaqo Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir