Design and synthesis of biologically inspired ion-conducting nanopores  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
113527
Type NN
Principal investigator Boda, Dezső
Title in Hungarian Biológiailag inspirált ionvezető nanopórusok tervezése és készítése
Title in English Design and synthesis of biologically inspired ion-conducting nanopores
Keywords in Hungarian nanopórus, ioncsatorna, szimuláció, diffúzió, szelektivitás
Keywords in English nanopores, ion channels, simulations, diffusion, selectivity
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Chemistry Department of Physical Chemistry (University of Pannonia)
Participants Ható, Zoltán
Kristóf, Tamás
Valiskó, Mónika
Starting date 2014-05-01
Closing date 2017-10-31
Funding (in million HUF) 26.560
FTE (full time equivalent) 5.24
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A mesterséges nanopórusok alapvető fontosságú komponensei a gyorsan fejlődő nanoszerkezeteknek mint például a különböző DNS szekvenáló technikák. Ezek a nanopórusok koncentráció- és elektromos potenciálgradiens alatt működnek és még mindig nem értjük teljes mélységében az olyan alapvető jelenségek működését, mint a szelektivitás és az egyenirányítás ezen nemegyensúlyi feltételek mellett. Ebben a kutatásban új nemegyenúlyi szimulációs módszereket fogunk alkalmazni (beleértve olyan változatos technikákat, mint a Langevin Dinamika, Dinamikus Monte Carlo és a Lokális Egyensúlyi Monte Carlo) nátriumcsatornák által inspirált nanopórusokon keresztül folyó áram számítására stacionárius esetre mégpedig a kísérleti elrendezésnek megfelelő körülmények között. Ezekben a kísérletekben két elektródot használnak rögzített feszültség mellett, amiket két rögzített koncentrációjú oldatban alkalmaznak a membrán két oldalán. Leegyszerűsített, de valós struktúrán alapuló modelleket alkotunk a csatornára és a membránra, és javaslatokat teszünk az egyszerűsített modellek megalkotásának folyamatára ("coarse graining"). Ennek segítségével modellt alkotunk a természetes és mutáns NavMs nátriumcsatornára. A káliumszelektivitás (nátrium ellenében), a monovalens vs. divalens szelektivitás, és a feszültségválasz szempontjából legígéretesebb mutánsokat fogjuk használni a nanopórusok tervezésénél. A feszültségválaszra példa az egyenirányítás vagy amikor az áramot egy harmadik elektródon alkalmazott potenciállal kontrolláljuk. A nanopórusokra javasolt modelljeinket az amerikai együttműködő partnerünk (Z. Siwy, U. of California at Irvine) fogja megépíteni és tesztelni.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Kiinduló hipotézisünk az, hogy az evolúciónak volt elég ideje, hogy speciális ioncsatornák "megalkotásával" speciális funkciójú biológiai nanoszerkezeteket hozzon létre a sejtmembránban. További hipotézisünk, hogy tanulhatunk a Természettől és megalkothatjuk a mi saját, a kívánt tulajdonságokkal rendelkező mesterséges nanopórusainkat, mint pl. a szelektivitás, egyenirányítás, és feszültségválasz. Ezek a biológiailag inspirált nanopórusok különböző nanoszerkezetek építőkövei lehetnek az egyre fejlődő nanotechnológia területén. Az is egy hipotézisünk, hogy modellalkotás és szimulációk révén hasznos információkat nyerhetünk ezekről az ioncsatornákról és nanopórusokról, amiket aztán érdekes tulajdonságú nanopórusok tervezéséhez használhatunk. A következő kérdések megválaszolására törekszünk. Megalkothatjuk-e az ismert szerkezetű nátriumcsatornák (NavAb és NavMs) egy olyan redukált modelljét, amit a valós kísérleti elrendezést utánzó nemegyensúlyi szimulációkkal tanulmányozhatunk? Tudunk-e ezzel a modellel kísérleti áram-feszültség adatokat reprodukálni? Jutunk-e fontos meglátásokhoz az atomi és a redukált modellekre kapott eredmények összehasonlítása révén? Találunk-e érdekes tulajdonságú mutánsokat a modell változtatása révén? Kísérletileg reprodukálhatók-e ezek a tulajdonságok? Használhatók-e ezek a meglátások nanopórus modellek tervezéséhez? Tudjuk-e ezeket a modelleket szimulálni a nanopórusok transzporttulajdonságainak meghatározására? Megépíthetők-e ezek a modell nanopórusok a valóságban? Ha igen, reprodukálják-e ezek a kísérletek a modell által jósolt érdekes tulajdonságokat?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A nanofluidika a nanométer mérettartományba eső struktúrákban lévő folyadékok tulajdonságaival, manipulációjával, és szabályozásával foglalkozik. A nanopórusok, ezen belül, olyan elemi struktúrák, amik ionok működtette áramkörök építésére használhatók. Ezek viszont ionos és molekuláris jelek erősítésére és manipulálására is alkalmazhatók és így a nanotechnológia kitűnő építőköveinek tekinthetők. Emiatt sok kutatás foglalkozik új, javított tulajdonságokkal bíró nanopórusok tervezésével. Ezek közül a tulajdonságok közül kiemelendő a szelektivitás, ami egy elegy különböző komponenseinek elválaszthatóságára vonatkozó jellemző. Egy adott molekula jelenléte a pórusban karakterisztikusan változtatja meg a póruson keresztül folyó áramot, ami a molekula detektálását és azonosítását teszi lehetővé. A nanopórusok jellemző módon regálnak a külső feszültségre, amire az egyenirányítás a tipikus példa. A számítógépes szimulációk mára a számításos tudományok megszokott módszerévé váltak, és képesek drága kísérletek kiváltására. A modellezésen alapuló tanulmányok lehetővé teszik továbbá, hogy specifikus tulajdonságokkal bíró ioncsatornákat modellezzünk és szimuláljunk. Szeretnénk tanulni a Természet sikeréből és olyan biológiai példák által motivált nanopórusokat tervezni, amik aztán használhatók lehetnek a nanotechnológiában. Hogy ezt a célunkat elérjük, egy komplex szimulációs rendszert fejlesztünk ioncsatornákon és nanopórusokon keresztül folyó iontranszport számítására mégpedig a kísérleti összeállítást minél jobban megközelítő szimulációs elrendezésben.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A Természet speciális fehérjéket alkotott a sejtmembránon keresztül szelektív módon megvalósuló iontranszport lebonyolítására. Ezek a membránfehérjék, amiket ioncsatornáknak nevezünk, sok kísérleti és elméleti vizsgálat tárgyát képezik. Ezenkívül sok gyógyszer ioncsatornák blokkolása révén fejti ki hatását. A nanotechnológia szempontjából azért fontosak, mert a példájuk alapján megtanulhatjuk, hogyan alkothatunk mesterséges a kívánt tulajdonságokkal bíró nanopórusokat. A projekt célja egy olyan komplex szimulációs eszközrendszer kifejlesztése, amivel ismert szerkezetű nátriumcsatornákat (NavAb és NavMs) tanulmányozhatunk mind részletes atomi, mind leegyszerűsített redukált modellek alapján. Ez utóbbinak az az előnye, hogy a valódi kísérleti körülményeket jól utánzó szimulációs elrendezésban folytathatjuk a vizsgálatot: ionáram folyik a póruson keresztül két elektród között, amik a membrán két oldalán lévő oldatokban helyezkednek el. A redukált modellek szimulációi ezen kívül gyorsabbak is. Az ioncsatornákra kapott eredményekből leszűrt következtetéseinket beleépítjük a mesterséges nanopórusokra vonatkozó modelljeinkbe. Olyan javaslatokat teszünk, amelyek speciális tulajdonságokkal (pl. egyenirányítás) rendelkező nanopórusok előállítását teszik lehetővé. Ezek a nanopórusok felhasználhatók lesznek a nanofluidika és a nanotechnológia folyamatosan fejlődő területén különféle nanoszerkezetek építésére.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Artificial nanopores are crucial components for emerging nanodevices such as high-throughput DNA sequencers. They function under concentration and voltage gradients, but generic issues such as selectivity and rectification under these conditions are poorly understood. Computational means to simulate these non-equilibrium conditions are still limited. Here we will carry out novel steady-state non-equilibrium simulations (including diverse techniques such as Langevin Dynamics, Dynamic Monte Carlo, and Local Equilibrium Monte Carlo) of Na channel-inspired nanopores under the same conditions as experiment. These conditions include electrodes at fixed voltages and baths of fixed electrolyte concentrations. This proposal extends a toolkit previously developed by us and others to construct coarse-grained (CG) models of channels and membranes. A CG model of the wild-type and mutant NavMs channel will be designed and simulated. The most promising mutants in terms of selectivity of potassium against sodium (and also of monovalent against divalent) and voltage response will be used to propose artificial nanopore designs. Voltage response includes rectification and control of current between two electrodes by the voltage applied at a third electrode. Nanopores designs will be tested by simulations of CG models and will be constructed and tested by our experimental collaborator Z. Siwy (U. of California at Irvine, US).

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Our starting hypothesis is that evolution had enough time to come up with specific ion channel structures to create biological nanodevices for a specific purpose in the cell membrane. Furthermore, we hypothise that we can learn from Nature and build our artificial nanopores with the desired properties such as selectivty, rectification, and voltage response. These biomimetic nanopores can be the building blocks of nanodevices in the emerging field of nanotechnology. We also hypothise that we can gain useful ideas from modeling and simulations of ion channels and nanopores that can be used to design nanopores of interesting properties. We want to answer the following questions. Can we develop a reduced model of sodium channels of known structures (NavAb and NavMs) that can be used in non-equilibrium simulations that mimic the real-life experimental setup? Can we reproduce experimental current-voltage data using this model? Can we get important insight from comparison of simulation results for the detailed all-atom and reduced models? Can we mutate our channel model in the computational model that would exhibit intersting behavior? Can this behavior be reproduced experimentally? Can we use the ideas gained from these simulations to develop models for synthetic nanopores? Can we simulate these models to compute the transport properties of the nanopores? Can the nanopore be built experimentally? Will it reproduce the interesting properties predicted by the modeling studies?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Nanofluidics studies the behavior, manipulation, and control of fluids that are confined to structures of nanometer (typically 1-100 nm) characteristic dimensions. Nanopores, particularly, can be used to build ionic circuits that, in turn, can be used for
amplification and manipulation of ionic and molecular signals. As such, these devices are excellent building blocks in nanotechnology. Hence, there is currently a tremendous effort to design novel pores with improved properties. These properties include ion selectivity that makes the separation of various components of a mixture possible. The presence of specific molecules in the pores characteristically alters the current through the pore that makes sensing and identification of these molecules possible. Nanopores can respond to an external voltage in a well-specified manner. Rectification is the trivial example. Computer simulations became a standard method of computational science and can replace expensive experiment. Modeling studies, furthermore, make it possible to model and simulate ion channels with specific properties. We want to learn from the success of Nature and design bio-inspired nanopores that can be useful in nanotechnology. To accomplish this goal we develop a complex computational toolkit in order to study ion channels and nanopores in simulation setups that mimic the real experimental situations as close as possible.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Nature created pore-forming proteins to let ions through cell membranes selectively. The membrane proteins are called ion channels and they are the subject of many experimental and theoretical study. They are also targets of various drugs. From a nanotechnological point of view, they are important because we can learn from their examples how to make artificial nanopores with the required properties. The project aims the development of a complex computer simulation toolkit to study the properties of sodium channels of known structures (NavAb and NavMs) using both detailed all-atom models and reduced representations. The advantage of the latter is that we can study the channels by mimicking real-life experimental situations: current is flowing through the channel between electrodes applied in the two baths on the two sides of the membrane. These simulations are also faster. The information learned from the ion channel studies will be built into the models of synthetic nanopores. We will come up with suggestions how to create nanopores of special properties such as rectification. These nanopores can be used in the emerging science of nanofluidics and nanotechnology in order to make useful nanodevices.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Nanopórusokban az elektrolitok speciális viselkedést mutatnak, emiatt különböző nanoeszközök (pl. szenzorok, diódák, tranzisztorok) potenciális építőköveiként használhatók. A sejtmembránban megtalálható természetes nanopórusok (ioncsatornák), mellett vannak mesterséges nanopórusok is, amelyeknek tervezését és készítését gyakran ioncsatornák inspirálják. Célkitűzésünk az volt, hogy a membránt, a pórust és az elektrolitot is különböző felbontású, azaz részletes (explicit víz) illetve redukált (implicit víz) modellekkel írjuk le, majd különböző számításos módszerekkel tanulmányozzuk a nanopórusokon keresztül folyó iontranszportot. Különféle membránrendszereket vizsgáltunk beleértve a membrán két oldalán lévő tömbfázisú elektrolitok tulajdonságait is. A bipoláris nanopórusok pl. egyenirányító diódaként használhatók a falukon elhelyezett aszimmetrikus töltésmintázat révén. Egy olyan nanoszenzort is terveztünk, aminek működése a detektálandó molekulának a pórusba való szelektív kötődésén alapszik: ezáltal lecsökken a háttérion árama és egy mérhető jelet kapunk. Porózus kristályos aluminoszilikátokat (kaolinit) is vizsgáltunk. Ezek szelektív membránok, katalizátorok, illetve ioncserélő ágensek potenciális anyagai lehetnek előnyös adszorpciós tulajdonságaik miatt. Megmutattuk, hogy a nanoeszközök leírhatók egyszerű modellekkel, amennyiben az eszköz funkciója szempontjából fontos szabadsági fokokat figyelembe vesszük.
Results in English
Electrolytes in nanopores exhibit peculiar physical behavior. This makes nanopores potential building blocks of nanodevices that can be used as sensors, diodes, or transistors. There are natural nanopores embedded in the cell membrane called ion channels, and there are synthetic nanopores whose design and fabrication is often inspired by ion channels. In this project, we aimed studying ion transport through nanopores by modeling the membrane, the pore, and the electrolyte both with detailed all-atom models (explicit water) and reduced models (implicit water). These models were studied with various computational techniques. We examined various membrane systems including the properties of the bulk electrolytes that are present on the two sides of the membrane. We simulated nanopore models that can be used as rectifying diodes by creating a charge asymmetry on the pore wall (bipolar nanopores). We designed a nanosensor that can detect analyte molecules on the basis of their selective binding to the pore thus decreasing the current of the background ion and producing a measurable signal. We also studied porous crystalline aluminosilicates (kaolinite) whose advantageous adsorption properties make them potential materials for selective membranes, catalysts, or ion-exchange agents. We showed that nanodevices can be described with simplified models if we take into account those degrees of freedom that are important from the point of view of device function.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=113527
Decision
Yes





 

List of publications

 
Zoltán Ható, Ákos Kaviczki, Tamás Kristóf: A simple method for the simulation of steady-state diffusion through membranes: pressure-tuned, boundary-driven molecular dynamics, Molecular Simulation, in press, DOI:10.1080/08927022.2015.1010083, 2015
Dezső Boda, Tamás Kristóf, Zoltán Ható, Dirk Gillespie: Simulating Steady-State Transport with Local Equilibrium Monte Carlo, 9th Liblice Conference on the Statistical Mechanics of Liquids, Czech Republic, 2014.06.15-20., 2014
Dezső Boda, Dirk Gillespie, Mónika Valiskó, Zoltán Ható, Tamás Kristóf: Simulating Ion Transport through Selective and Rectifying Ion Channels Using Local Equilibrium Monte Carlo, 9th Liquid Matter Conference, Lisbon, 2014.07.21-15, 2014
Dezső Boda, Gary Leaf, Jim Fonseca, Bob Eisenberg: Energetics of ion competition in the DEKA selectivity filter of neuronal sodium channels, Condenced Matter Physics, 18(1):13601, 2015
Mónika Valiskó, Dezső Boda: Unraveling the behavior of the individual ionic activity coefficients on the basis of the balance of ion-ion and ion-water interactions, Journal of Physical Chemistry B, 119(4):1546-1557, 2015
Dezső Boda, Dirk Gillespie, Mónika Valiskó, Zoltán Ható, Tamás Kristóf: Calculation of ion flux through pores with Local Equilibrium Monte Carlo, Workshop on Mathematical Modelling of synthetic Nanopores, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2015.05.04.05., 2015
Zoltán Ható, Ákos Kaviczki, Tamás Kristóf: A simple method for the simulation of steady-state diffusion through membranes: pressure-tuned, boundary-driven molecular dynamics, Molecular Simulation, 42(1):71-80, 2015
Mónika Valiskó, Dezső Boda: Comment on “The Role of Concentration Dependent Static Permittivity of Electrolyte Solutions in the Debye-Hückel Theory”, Journal of Physical Chemistry B, 119(44):14332-14336, 2015
Zoltán Ható, Dezső Boda, Dirk Gillepie, Jadran Vrabec, Gábor Rutkai, Tamás Kristóf: Simulation study of a rectifying bipolar ion channel: Detailed model versus reduced model, Condensed Matter Physics 19(1):13802, 2016
Dezső Boda, Dirk Gillespie, Mónika Valiskó, Zoltán Ható, Tamás Kristóf: Calculation of ion flux through pores with Local Equilibrium Monte Carlo, Workshop on Mathematical Modelling of synthetic Nanopores, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 04-05 May, 2015
Zoltán Ható, Tammás Kristóf: A dæmon for steady-state diffusion through membranes, VII. Jahrestagung der Boltzmann-Zuse-Gesellschaft, TU Kaiserslautern Kaiserslautern, 2015.06.04-05., 2015
Dezső Boda, Gary Leaf, Jim Fonseca, Bob Eisenberg: Energetics of ion competition in the DEKA selectivity filter of neuronal sodium channels, Condensed Matter Physics, 18(1):13601, 2015
Éva Makó, András Kovács, Richard Katona, Tamás Kristóf: Characterization of kaolinite-cetyltrimethylammonium chloride intercalation complex synthesized through eco-friend kaolinite-urea pre-intercalation complex, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 508: 165-273., 2016
Tamás Kovács, Szilveszter Papp, Tamás Kristóf: Membrane separation study for methane-hydrogen gas mixtures by molecular simulations, Condensed Matter Physics, 20(2):23002, 2017
Mónika Valiskó, Dezső Boda: Activity coefficients of individual ions in LaCl3 from the II+IW theory, Molecular Physics, 115(9-12):1245-1252, 2017
Dezső Boda: Multiscale modeling of ion transport through nanopores: the case study of a rectifying bipolar nanofluidic diode, Molecular Modeling Workshop DECHEMA Frankfurt, 2017.03.09-10., 2017
Dezső Boda: Multiscale modeling of ion transport through nanopores: the case study of a rectifying bipolar nanofluidic diode, Hybrid Methods in Molecular Simulation, Cagliari, Italy, 2017.04.03-04., 2017
Zoltán Ható, Mónika Valiskó, Tamás Kristóf, Dirk Gillespie, and Dezső Boda: Multiscale modeling of a rectifying bipolar nanopore: explicit-water versus implicit-water simulations, Physical Chemistry Chemical Physics, 17(27):17816-17826, 2017
Bartlomiej Matejczyk, Mónika Valiskó, Marie-Therese Wolfram, Jan-Frederik Pietschmannn, Dezső Boda: Multiscale modeling of a rectifying bipolar nanopore: Comparing Poisson-Nernst-Planck to Monte Carlo, Journal of Chemical Physics, 146(12):124125, 2017
Eszter Mádai, Mónika Valiskó, Dezső Boda: Using nanopores as sensors: a Monte Carlo modeling study, 10th Liquid Matter Conference, Ljubjana, Slovenia, 2017.07.17-21., 2017
Eszter Mádai, Mónika Valiskó, Dezső Boda: Using nanopores as sensors: a Monte Carlo modeling study, 14th International Interdisciplinary Meeting on Bioanalysis (CECE2017), Veszprém, Hungary, 2017.10.8-11., 2017
Eszter Mádai, Mónika Valiskó, András Dallos, Dezső Boda: Simulation of a model nanopore sensor: ion competition underlies device behavior, submitted, 2017




Back »