Biyoloji ve Mühendisliğin Buluşması: Makineler Artık Hücreler Gibi “Düşünüyor”
Bilim insanları, canlı iyon kanalları gibi davranan atom boyutunda gözenekler oluşturarak yeni nesil nanoteknolojiye kapı açtılar.
İyon kanalları, canlı sistemlerdeki birçok süreç için gerekli olan son derece dar geçitlerdir. İyonların bu sınırlı alanlardan nasıl geçtiğini anlamak için bilim insanlarının inanılmaz derecede küçük ölçeklerde yapay gözenekler oluşturmaları gerekiyor. Bu kanalların en dar kısımları yalnızca birkaç angstrom genişliğinde, yaklaşık olarak tek bir atom büyüklüğünde olabilir; bu da mevcut nanoteknoloji ile hassas ve tekrarlanabilir üretimi çok zorlaştırır.
Osaka Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bu sorunu ele aldılar. Nature Communications’da yayınlanan bir çalışmada, nanometre altı boyuta yaklaşan gözenekler oluşturmak için minyatür bir elektrokimyasal reaktör kullanan yeni bir yaklaşımı tanımlıyorlar.
İyon Kanalları Elektrik Sinyallerini Nasıl Üretir?
Canlı hücrelerde, iyonlar hücre zarına gömülü protein kanallarından geçer. Bu iyon akışı, kas hareketini kontrol eden sinir impulsları da dahil olmak üzere elektrik sinyalleri oluşturur. Bu protein kanalları son derece dar bölgeler içerir ve açık ve kapalı durumlar arasında geçiş yapabilir. Dış sinyaller protein yapısında değişikliklere neden olur ve bu da iyon akışını düzenler.
Biyolojiyi Taklit Eden Katı Hal Sistemi
Bu doğal mekanizmalardan ilham alan araştırma ekibi, biyolojik iyon kanallarına yakın boyutta gözenekler oluşturabilen bir katı hal sistemi yarattı. Silikon nitrür bir membranda bir nanopor oluşturarak işe başladılar. Bu nanopor daha sonra daha küçük gözeneklerin oluşturulabileceği küçük bir reaksiyon odası görevi gördü.
Membrana negatif bir voltaj uygulandığında, nanoporun içinde katı bir çökelti üreten kimyasal bir reaksiyon tetiklendi. Bu madde biriktikçe, yavaş yavaş gözenekleri doldurdu ve tıkadı. Voltajın tersine çevrilmesi, çökeltinin çözünmesine ve iyonların geçişi için yolların yeniden oluşmasına neden oldu.
Baş araştırmacı Makusu Tsutsui, “Bu açma ve kapama işlemini birkaç saat boyunca yüzlerce kez tekrarlayabildik,” diye açıklıyor. “Bu, reaksiyon şemasının sağlam ve kontrol edilebilir olduğunu gösteriyor.”
Elektriksel Ani Akım Artışları ve Ayarlanabilir İyon Taşıma
Araştırmacılar, iyonların membran boyunca akışını izlediler ve akımda ani artışlar gözlemlediler. Benzer desenler doğal iyon kanallarında da görülmektedir. Analizleri, bu sinyallerin muhtemelen orijinal nanopor içinde birçok subnanometre gözenek oluşumundan kaynaklandığını göstermektedir.
Ayrıca, sistemin gözeneklerin davranışını değiştirmek için ayarlanabileceğini de buldular. Reaksiyon çözeltilerinin bileşimini ve pH’ını değiştirerek, ultra küçük gözeneklerin boyutunu ve özelliklerini kontrol edebildiler.
“Reaktan çözeltilerinin bileşimini ve pH değerini değiştirerek ultra küçük gözeneklerin davranışını ve etkin boyutunu değiştirmeyi başardık,” diye bildiriyor kıdemli yazar Tomoji Kawai. “Bu, ultra küçük gözenek boyutlarını ayarlayarak, farklı etkin boyutlardaki iyonların membran boyunca seçici taşınmasını sağladı.”
Algılama ve Beyin Esinli Hesaplamada Potansiyel Kullanımlar
Bu yeni reaksiyon yöntemi, tek bir nanopore içinde birden fazla ultra küçük gözenek oluşmasına olanak tanır. Biyolojide bulunanlara benzer son derece sınırlı ortamlarda iyonların ve sıvıların nasıl hareket ettiğini incelemek için güçlü bir yol sunar.
Kimyasal olarak yönlendirilen membran sistemi, tek molekül algılama (örneğin, DNA dizilimini belirlemek için nanoporların kullanılması), nöromorfik hesaplama (biyolojik nöronların davranışını taklit etmek için elektriksel uyarıların kullanılması) ve nanoreaktörler (sınırlama yoluyla benzersiz reaksiyon koşullarının oluşturulması) gibi gelişmekte olan teknolojileri de destekleyebilir.
Kaynak: https://scitechdaily.com