Kwantummeting kan ionenstroom door celmembranen onthullen

Ionenkanalen spelen een cruciale rol in de werking van alle levende cellen. De kanalen zijn eiwitten die zijn ingebed in het celmembraan en werken als poriën, waardoor bepaalde soorten moleculen en ionen kunnen passeren terwijl ze andere blokkeren.

Daarom spelen ze een belangrijke rol in veel biologische processen waarbij snelle veranderingen optreden in cellen, zoals hartfunctie, T-celactivering en pancreas-bètacel-insulineafgifte.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat er veel werk is besteed aan het uitzoeken hoe ionenkanalen werken. Eén techniek is om een ​​cel in de punt van een injectiespuit te proppen die het onderzochte ion bevat. Zet een spanning op de cel en de stroom is een maat voor de stroom van ionen over het celmembraan. Een andere techniek is het meten van de stroom van ionen door een synthetisch celmembraan dat bekend staat als een zwarte lipidelaag.

Beide technieken hebben interessante inzichten opgeleverd, maar vraag een celbioloog hoe nauwkeurig ze zijn, en hij of zij schuifelt met haar voeten en staart naar de grond.

Nu belooft een nieuwe techniek alle anderen in de schaduw te stellen, zeggen Leonard Hall van de Universiteit van Melbourne in Australië en een paar vrienden. Het idee is gebaseerd op hoe snel elektronenspins uiteenvallen in een stikstofatoom in een nanodiamant. De afgelopen jaren zijn natuurkundigen enorm enthousiast geworden over deze zogenaamde stikstofvacatures omdat ze eenvoudig te controleren zijn met microgolven of licht. Ze worden ook geïsoleerd van hun omgeving door de koolstofmatrix.

Het idee van Hall en co is om de nanodiamant op de punt van een atoomkrachtmicroscoop te plaatsen en deze te verplaatsen tot binnen een haarbreedte van een ionenkanaal in een celmembraan. De elektronenspins in de stikstofvacature worden vervolgens in een bepaalde toestand gebracht door ze te zappen met een reeks microgolfpulsen.

Wanneer het kanaal opengaat, genereert de stroom van ionen er doorheen een klein magnetisch veld dat interageert met de elektronenspin, waardoor ze uiteenvallen. Dit kan eenvoudig worden gecontroleerd door te zoeken naar de fluorescentie die wordt geproduceerd door de stikstofleegstand.

De techniek moet de stroom van ionen door het kanaal kunnen meten met een resolutie van microseconden, zegt de groep. Dat soort nauwkeurigheid is ongekend. En het mooie is dat nanodiamant het kanaal dat in zijn (min of meer) natuurlijke omgeving kan werken, niet raakt of verstoort.

Celbiologen zouden dit moeten terugdraaien, maar het zijn de farmaceutische bedrijven die er echt baat bij hebben. Een groot deel van de medicijnen is gericht op ionkanalen, dus precies weten welk effect ze hebben, zou een belangrijk onderdeel moeten zijn van het proces van medicijnontdekking. De nieuwe techniek zou dat mogelijk kunnen maken.

Momenteel bevindt het werk zich in een theoretische fase, waarbij de haalbaarheid van het idee wordt onderzocht. Maar Hall en vrienden zeggen dat het mogelijk lijkt met de huidige technologie. Dat betekent dat het slechts een kwestie van maanden zou moeten zijn voordat we de eerste resultaten zien.

Referentie: arxiv.org/abs/0911.4539 : Ionenkanaalfunctie in realtime bewaken via kwantumdecoherentie

zich verstoppen