Single-File Wassertransport durch Nanoporen

In eingeschränkten Geometrien ändern sich die physiko-chemischen Eigenschaften von Wasser. Diese Änderungen werden für die Unterschiede in der Wassermobilität zwischen (i) Kontiuummodellen; (ii) molekulardynamischen Berechnungen und (iii) experimentellen Messungen verantwortlich gemacht. Den entsprechenden Modellen zufolge (i) bringen Reibungseffekte einen linear mit Kanallänge zunehmenden Mobilitätsverlust, (ii) liefern De- Rehydratationseffekte die Hauptenergiebarriere, so dass die Mobilität längenunabhängig ist und (iii) bedingen multiple Wasserbindungsstellen in der Pore den beobachteten exponentiellen Abfall der Mobilität mit der Porenlänge. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, den tatsächlichen molekularen Mechanismus des Single-File- Transports zu klären. Die geplanten Experimente sollen folgende Fragen klären: (i) Welche Faktoren bestimmen den energetischen Aufwand für den Eintritt in die Nanopore? Haben geladene Lipidkopfgruppen oder Aminosäuren am Kanalmund einen signifikanten Effekt auf die Wasserdehydration? Spielt die Anwesenheit polarer Lipidkopf- oder Karbonylgruppen eine Rolle? (ii) Was bestimmt die Höhe der internen Barrieren? Ist es möglich, die Höhe dieser Barrieren durch die Insertion hydrophober Elemente in die Kanalwand zu modifizieren? (iii) Welche Bedeutung kommt der Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den permeierenden Wassermolekülen zu, d.h. gibt es einen Isotopeneffekt für den Single-File Wassertransport? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir den Wasserfluss durch rekonstituierte Wasserporen mittels elektrochemischer Rastersondenmikroscopie messen. Um die Wasserpermeabilität einer Einzelpore zu ermitteln, zählen wir die Poren durch Strommessungen unter den Bedingungen einer Spannungsklemme. Die Ergebnisse werden sowohl zum Verständnis der hydrophoben Schaltung von Rezeptoren und dem Single-File-Transport durch Ionenkanäle, als auch zur Entwicklung von Nanofluidics-Anwendungen beitragen.

Das Leben auf der Erde ist undenkbar ohne Wasser. Jeder Organismus, jedes Gewebe, jede Zelle verfügt über ein ausgearbeitetes System zur Kontrolle der Wassermenge, die die jeweiligen Grenzen passiert. Ziel ist, die notwendige Balance von Wasseraufnahme und - abgabe sicherzustellen. Wir haben uns dafür interessiert, was passiert wenn Wasser die Grenze der kleinsten Einheit von lebenden Organismen, die Zellmembran, passiert. Genau wollten wir wissen, wie sich Wasser durch die extrem engen Kanäle dieser Membranen quetscht, Kanäle deren Lumen nicht größer ist als der Durchmesser eines einzigen Wassermoleküls. Diese Kanäle spielen eine große Rolle in unserem täglichen Leben: Sie transportieren nicht nur Wasser, einige von ihnen transportieren auch Ionen. In der Tat sind derartige Kanäle in all unseren Sinnesorganen verbaut und in die Leitung der Information von unseren Augen, Nasen oder Ohren zu unserem Gehirn und weiter vom Gehirn zu unseren Armen und Beinen involviert. Intuitiv würde man erwarten, dass die Leitung von Wassermolekülen und Ionen vergleichbar mit der Passage harter Kugeln durch Rohre makroskopischer Ausmaße ist. Im Gegensatz dazu sind die makroskopischen Gesetze der Hydrodynamik nicht anwendbar. Zum einen kann es kein parabiologisches Strömungsprofil in diesen engen Kanälen geben, da sie nur den Durchmesser eines Moleküls aufweisen. Zum anderen ist die Bewegung am Rohrrand ungebremst, d. h. die für gewöhnlich angenommene Haftung der ersten Wasserschicht an der Rohrwandung kann es nicht geben, da dies den Wasserfluss durch derartig enge Kanäle unmöglich machen würde. Derzeit ist völlig unklar, was diese makroskopischen Gesetze der Hydrodynamik ersetzen könnte, d. h. eine physikalische Beschreibung der geltenden mikroskopischen Gesetze der Hydrodynamik ist nicht verfügbar. Mit dem Projekt wollten wir zwischen zwei Szenarien unterscheiden: 1. Der Eintritt der Wassermoleküle in den Kanal ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt;2. Die Interaktion der Wassermoleküle mit dem Kanal bestimmt den Wasserfluss. Beim Eintritt in den Kanal verliert das Wasser zwei seiner vier Wassernachbarn. Das ist ein energetisch unvorteilhafter Zustand, da sich damit die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen reduziert. Wir konnten zeigen, dass die Barriere am Eingang durch die Platzierung von positiven Ladungen am Kanalmund reduziert werden kann. Wasser ist weniger eng an positive als an negative Ladungen gebunden. Im Ergebnis sind die Kanäle in der Lage, ungefähr sieben Mal mehr Wasser zu leiten als ohne positive Ladungen. Bausteine in der Kanalwand, die Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, können einen gegenteiligen, aber gleichgroßen Effekt haben: die Einzelkanalwasserleitfähigkeit sinkt exponentiell mit der Anzahl der von diesen Bausteinen mit dem permeierenden Wasser gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen. Wir schlussfolgern daraus, dass keines der Ausgangsszenarien korrekt ist. Sowohl die Ladung im Kanalmund als auch die Beschaffenheit der Kanalwand können gleichgroße Beiträge zur Einzelkanalwasserleitfähigkeit von engen Kanälen leisten.