Synthesis and characterization of single hybrid nanopores fabricated by ion-track technology

Biological channel proteins perform in the plasma membrane of cells crucial functions in all organisms. In humans they regulate an ion selective and regulated communication between cells and their surrounding environment. With their ability to sense chemical signals and to translate this sensing in a regulated channel activity they represent the best examples of electrically active sensors created by nature despite their inherent structural fragility. Solid-state nanochannels, on the other hand, emerged as a promising alternative to biological pores to fabricate more robust and long lasting electrically active sensors. Even though the design of the latter is inspired by their biological homologous, they show important advantages over their biological counterpart in terms of durability, reproducibility and stability. But even the latest generation of solid-state nanopores is in comparison to biological channels much less ion selective and less sensitive to regulatory signals. The present work particularly focuses on nanostructures which are derived from polymeric membranes in which a single pore was fabricated using ion track technology. This technique involves irradiations of polymer foils with swift heavy ions available at the UNILAC, linear accelerator of the GSI research center in Darmstadt (Hessen, Deutschland). In this study, these pores serve as a templates for developing a hybrid sensor system, which combines the robust single solid-state pores with the high selectivity of biological channels. To this end, we integrated a synthetic biological membrane (DPhPC, 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) at the tip of a solid-state nanopore and functionally reconstituted an active, miniature size ion channel protein, the viral KcvNTS channel, in this miniature bilayer. Proof-of-concept experiments confirm that this system is indeed offering the possibility for a functional reconstitution of a single active potassium channel at the tip of a solid state nanopore. The structure of the solid-state channels can be readily controlled due to their chemical and structural characteristics in terms of dimensions, geometry, and sensitivity, while their surface can be specifically functionalized by a variety of approaches. In this work the surface of multiple-pore polymer membrane was functionalized with the thermoresponsive polymer PNIPAM, enabling temperature-regulated conductance in electrolyte solutions. In conclusion, this study presents a hybrid sensor system that merges the robustness of solid-state nanochannels with the selectivity of biological ion channels. Our findings demonstrate the potential of hybrid systems for enhanced performance, paving the way for innovative applications in biosensing and smart materials.

Biologische Kanalproteine erfüllen in der Plasmamembran von Zellen wichtige Funktionen in allen Organismen. Beim Menschen regulieren sie eine ionenselektive und kontrollierte Kommunikation zwischen Zellen und ihrer Umgebung. Mit ihrer Fähigkeit, chemische Signale zu erkennen und diese Wahrnehmung in eine regulierte Kanalaktivität umzusetzen, sind sie trotz ihrer inhärenten strukturellen Fragilität die besten Beispiele für elektrisch aktive Sensoren, die von der Natur geschaffen wurden. Festkörper-Nanokanäle hingegen haben sich als valide Alternative zu biologischen Poren herausgestellt, um robustere und langlebigere elektrisch aktive Sensoren herzustellen. Auch wenn das Design der Nanokanäle von ihren biologischen Vorbildern inspiriert ist, weisen sie gegenüber ihren biologischen Pendants wichtige Vorteile in Bezug auf Haltbarkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität auf. Aber selbst die neueste Generation von synthetischen Nanoporen ist im Vergleich zu biologischen Kanälen viel weniger ionenselektiv und weniger empfindlich gegenüber Regulationssignalen. Die vorliegende Arbeit befasst sich insbesondere mit Nanoporen in Polymermembranen, die unter Verwendung der Ionenspurtechnologie hergestellt wurden. Bei dieser Technik werden Polymerfolien mit hochenergetischen Schweriionen bestrahlt, die am UNILAC, dem Linearbeschleuniger des GSI-Forschungszentrums in Darmstadt (Hessen, Deutschland), verfügbar ist. Hier verwenden wir diese Poren als Vorlage für die Entwicklung eines hybriden Sensorsystems, das die robusten einzelnen Festkörperporen mit der hohen Selektivität biologischer Kanäle kombiniert. Zu diesem Zweck wurde eine synthetische biologische Membran (DPhPC, 1,2-Diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholin) an der Oberseite in die Öffnung einer Nanopore integriert und ein aktives, miniaturisiertes Ionenkanalprotein, den viralen KcvNTS-Kanal, in dieser Miniatur-Doppelschicht funktionell rekonstituiert. Proof-of-Concept-Experimente bestätigen, dass dieses System tatsächlich die Möglichkeit einer funktionellen Rekonstitution eines einzelnen aktiven Kalium-Kanals an der Oberseite einer Festkörper-Nanopore bietet. Die Struktur der Festkörperkanäle kann aufgrund ihrer chemischen und strukturellen Eigenschaften in Bezug auf Abmessungen, Geometrie und Empfindlichkeit leicht verändert steuern, während Ihre Öberflasche einer Polymermembran mit mehreren Poren mit dem thermoresponsiven Polymer PNIPAM funktionalisiert, wodurch eine temperaturregulierte Leitfähigkeit in Elektrolytlösungen ermöglicht wird. Zusammenfassend präsentiert diese Studie ein hybrides Sensorsystem, das die Robustheit von Festkörper-Nanokanälen mit der Selektivität biologischer Ionenkanäle verbindet. Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von Hybridsystemen für eine verbesserte Leistung und ebnen den Weg für innovative Anwendungen in der Biosensorik und bei intelligenten Materialien.