Transporte Assimétrico de Íons através de Nanoporos de Estado Sólido Miméticos de Canais Iônicos

Tanto cientistas quanto engenheiros estão interessados no projeto e na fabricação de arquiteturas nanofluídicas sintéticas que mimetizam as funções de regulação (gating) de canais iônicos biológicos. O esforço para construir tais estruturas requer esforços interdisciplinares na interseção da química, ciência dos materiais e nanotecnologia. Canais iônicos biológicos e dispositivos nanofluídicos sintéticos apresentam algumas semelhanças estruturais e químicas e, portanto, compartilham características comuns na regulação do fluxo iônico transversal. Na última década, pesquisadores identificaram dois fenômenos de transporte assimétrico de íons em estruturas nanofluídicas sintéticas: a corrente iônica retificada e a corrente de difusão líquida. A corrente iônica retificada é uma resposta corrente-voltagem semelhante à de um diodo, que ocorre ao alternar a polarização de voltagem. Esse fenômeno indica uma direção preferencial de transporte no sistema nanofluídico. A corrente de difusão líquida ocorre como um produto direto da seletividade de carga e é gerada a partir da difusão assimétrica através de canais nanofluídicos carregados. Esses novos fenômenos de transporte de íons e as estruturas elaboradas que ocorrem na biologia nos inspiraram a construir dispositivos nanofluídicos funcionais tanto para pesquisa fundamental quanto para aplicações práticas. Neste Account, revisamos nosso progresso recente no projeto e na fabricação de dispositivos nanofluídicos biomiméticos em estado sólido com comportamento de transporte assimétrico de íons. Demonstramos a origem da corrente iônica retificada e da corrente de difusão líquida. Também identificamos diversos fatores de influência e discutimos como incorporar essas características assimétricas em sistemas nanofluídicos através do controle de (1) geometria dos nanoporos, (2) distribuição de carga superficial, (3) composição química, (4) molhabilidade da parede do canal, (5) pH ambiental, (6) gradiente de concentração de eletrólitos e (7) mobilidade iônica. No caso das quatro primeiras características, incorporamos esses recursos assimétricos diretamente nas estruturas nanofluídicas. Com as três últimas, construímos diferentes condições ambientais nas soluções eletrolíticas em ambos os lados do nanocanal. Os fenômenos nanofluídicos inéditos e bem controlados tornaram-se a base para muitas aplicações promissoras, e destacamos vários exemplos representativos. Inspirados pela célula eletrogênica do peixe-elétrico, demonstramos uma prova de conceito de um sistema nanofluídico de eletrodiálise reversa (NREDS) que converte a energia do gradiente de salinidade em eletricidade por meio de corrente de difusão líquida. Também construímos sistemas de análise de quiralidade em arquiteturas nanofluídicas e monitoramos esses eventos de detecção como a alteração no grau de retificação da corrente iônica. Além disso, desenvolvemos um nanossistema bio-híbrido, no qual reconstituímos a F0F1-ATPase em uma membrana nanoporosa de estado sólido revestida por lipossomos. Ao aplicar um gradiente de concentração de prótons transmembrana, o nanodispositivo bio-híbrido pode sintetizar ATP in vitro. Esses achados aprimoraram nossa compreensão dos fenômenos de transporte assimétrico de íons em sistemas nanofluídicos sintéticos e oferecem percepções inovadoras sobre o projeto de dispositivos nanofluídicos funcionais.