Découverte d’un effet mécano-sensible dans des canaux ioniques artificiels

Si les courants électriques qui parcourent nos ordinateurs sont dus à des mouvements d’électrons, toute la circuiterie des êtres vivants est basée sur le transport des ions (dont les ions sodium, chlore, calcium, potassium). On retrouve en effet dans les systèmes biologiques une artillerie de canaux ioniques réalisant des fonctions très variées, en exploitant le comportement souvent exotique du transport ionique aux échelles moléculaires. Réaliser de telles fonctionnalités dans des canaux artificiels reste un défi technique considérable.

Des chercheurs de l’équipe Micromégas du laboratoire de Physique de l’ENS (ENS, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris-Diderot), en collaboration avec le laboratoire du Prof. André Geim de l’Université de Manchester, ont réussi à réaliser des canaux ioniques sub-nanométriques, et ont étudié leurs propriétés. Ce travail a été publié dans la revue Nature.

L’assemblage dit de van der Waals consiste à empiler des couches atomiques bidimensionnelles à la manière de briques Lego et permet de construire une batterie de canaux artificiels très larges à l’échelle moléculaire (0,1 µm) et pourtant d’épaisseur infime (0,6 nm), tout cela de façon lisse à l’échelle atomique. Avec ce fort confinement, l’eau et les ions sont contraints de s’organiser en une monocouche bidimensionnelle. Les expériences ont alors montré qu’un courant ionique considérable est généré lorsqu’un écoulement est induit dans le canal en appliquant une différence de pression. Mais plus surprenant, ce courant d’écoulement peut être modulé de façon extrêmement sensible par l’application conjointe d’un champ électrique : une tension de 0,1 V multiplie la mobilité par un facteur 20 (cf. Fig. 1) ! Ce phénomène inédit pour le transport ionique qui s’apparente à un effet transistor, peut s’expliquer par le frottement différentiel de l’eau et des ions sur les parois à ces échelles moléculaires. L’effet des parois devenant important, il est même possible de sonder les propriétés électroniques du matériau confinant en étudiant ce phénomène.

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Figure 1 : Courant d’écoulement par canal en fonction du gradient de pression ∆P/L pour des différences de potentiel ∆V variant de -75 mV à 75 mV, dans le cas du graphite (a) et du nitrure de bore (b) (L est la longueur des canaux).

Ce couplage entre tension et pression aux échelles infimes présente de fortes similarités à ceux observés dans des canaux ioniques biologiques mécano-sensibles tels que PIEZO1 [1]. Est-il alors possible de mieux comprendre les situations de confinement extrêmes à l’œuvre dans les systèmes vivants, et à plus long terme de mimer les fonctions de calcul élémentaire basées sur le transport ionique ? L’étude de ces canaux artificiels à l’échelle moléculaire recèle encore de nombreuses surprises...


[1] Coste, B. et al. Piezo proteins are pore forming subunits of mechanically activated channels. Nature 483, 176–181 (2012). 

Article de référence  : T. Mouterde et al. Molecular streaming and its voltage control in ångström-scale channels, Nature

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