ERA-Chemistry: Entwurf und Synthese von biologisch inspirierten ionenleitenden Nanokanälen

• Antragsteller: Professor Dr. Paolo Carloni
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252093367

Künstliche Nanokanäle sind entscheidende Bausteine für aufkommende Nanobauteile wie Hochdurchsatz-DNA Sequenzierer. Sie funktionieren über Konzentrations- und Spannungsgradienten, aber allgemeine Fragen wie Selektivität und Rektifikation sind unter diesen Bedingungen nur unzureichend verstanden. Computergestützte Methoden, um diese Nichtgleichgewichts-Bedingungen zu simulieren, sind bislang beschränkt. Hier werden wir neuartige stationäre Nichtgleichgewichts-Simulationen (einschließlich verschiedener Techniken wie Langevin-Dynamik, dynamische Monte-Carlo und lokale Gleichgewichts-Monte-Carlo Methoden) von Na+-Kanal inspirierten Nanobauteilen unter experimentellen Bedingungen durchführen. Diese Bedingungen schließen Elektroden mit fester Spannung und Umgebungen mit festgelegter Elektrolytkonzentration ein. Diese Randbedingungen bilden die Triebkraft für den Transport im stationären Zustand.Zunächst werden wir den bakteriellen NavMs Kanal im geöffneten Zustand betrachten, für den experimentelle Strukturinformationen vorliegen. Simulationen von natürlichen und mutierten Proteinen werden durch vollständig atomistische Molekulardynamik Rechnungen ergänzt. Die Ergebnisse der Simulationen werden von unserem Kollegen Prof. C. Fahlke (Forschungszentrum Jülich, Deutschland) experimentell überprüft. Dieser Antrag erweitert einen Satz von Programmen, welche zuvor von uns und anderen entwickelt wurden, um grobkörnige (CG) Modelle von Kanälen und Membranen zu erstellen. Wir werden ein CG Modell des natürlichen und mutierten NavMs Kanals entwerfen und simulieren.Die vielversprechendsten Mutationen hinsichtlich Selektivität von Kalium im Vergleich zu Natrium (sowie von einwertigen im Vergleich zu zweiwertigen Ionen) und Spannungssensitivität werden eingesetzt, um künstliche Nanokanal-Modelle vorzuschlagen. Spannungssensitivität beinhaltet Rektifikation und die Kontrolle der Ströme zwischen zwei Elektroden durch die an eine dritte Elektrode angelegte Spannung. Die Nanokanal-Modelle werden mit Hilfe von CG Simulationen untersucht und von unserer experimentell arbeitenden Kollegen Z. Siwy (University of California at Irvine, USA) erstellt und erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ungarn, USA
• Partnerorganisation: OTKA Hungarian Scientific Research Fund
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Dezso Boda; Professor Dr. Christoph Fahlke; Professorin Dr. Zuzanna Siwy