Investigation of ion-selective nanopores by a multi-level approach

Abstract

The selective transport of ions through membranes is a known feature of biological and synthetic pores, which remains still not fully understood despite a variety of existing experimental and theoretical investigations with different pore systems.1–3 A deeper understanding of ion selectivity would be desirable for the treatment of related diseases and would have an application in the technical fields of water purification, biosensoric and protein design. For this reason a focus was laid on the theoretical basis of the thermodynamic and kinetic ion selectivity of tetrameric and pentameric ion channels as well as on synthetic channel systems. In a first approach a homology model system for the small viral potassium channel KcvATCV-1 was created and investigated in molecular dynamics simulations with various ion solutions.4 Averaged channel structures, obtained from these simulations, were used to establish and verify a new thermodynamic analysis approach in combination with an integral equation theory. To tackle the kinetic aspects of ion selectivity, theoretical conductances were obtained from molecular dynamics simulations and also calculated from integral equation theory, by making use of previous work of Hummer et al.5 A synthetic hydrophobic pore system of Gong et al.6 was supposed to be appropriate for this investigation, as it fulfilled the assumptions made by Hummer et al.5 The calculated conductances from the independent methods showed a qualitative agreement between them and revealed an anion selectivity of this pore system. The established thermodynamic and kinetic analysis techniques were also used to shed light on the putative pentameric ion channel phospholamban, as it is a biological membrane protein with a hydrophobic character. Compared to experimentally measured conductances by Smeazzetto et al. the calculated conductances could reproduce the observed cation over anion selectivity as well as the inter-cationic selectivity order. In the course of this investigation a hydrophobic restriction was identified to play a significant role for the ion selectivity as identified by the thermodynamic analysis of phospholamban. Formulation of a thermodynamic cycle permitted the investigation of single solvation free energy contributions to the cation over anion selectivity and the inter-cationic selectivity. This investigations identified strong global and local solvation effects to control the observed selectivity. In this work, the influence of the solvent on thermodynamic and kinetic selectivity in polar and hydrophobic ion channels has been revealed.

Der selektive Transport von Ionen durch Membranen ist eine bekannte Eigenschaft von biologischen sowie synthetischen Poren, die bis heute trotz einer Vielzahl an existierenden theoretischen und praktischen Studien an verschiedensten Porensystemen nicht vollständig aufgeklärt wurde.1–3 Ein tieferes Verständnis von Ionenselektivität würde die Behandlung von damit verbunden Krankheitsbildern erleichtern und wäre in den technischen Bereichen der Wasseraufbereitung, Biosensorik und im Bereich des Proteindesigns von großem Nutzen. Aus diesen Gründen steht die theoretische Erforschung der thermodynamischen und kinetischen Ionenselektivität von biologischen tetrameren und pentameren sowie synthetischen Kanalsystemen im Fokus dieser Arbeit. Hierzu wurde in einem ersten Ansatz ein Homologiemodell des kleinen viralen tertrameren Ionenkanals KcvATCV-1 erstellt und in Molekulardynamik-Simulationen mit verschiedenen Ionenlösungen untersucht.4 Anhand simulationsbasierter symmetrischer Strukturen dieses biologischen Kanals wurde eine thermodynamische Analysemethodik in Kombination mit einer Integralgleichungstheorie etabliert und verifiziert. Um die kinetischen Aspekte der Ionenselektivität zu untersuchen wurden theoretische Leitfähigkeiten auf Basis von Molekulardynamik-Simulationen sowie Ergebnissen von Integralgleichungsberechnungen unter Verwendung der Vorarbeiten von Hummer et al.5 berechnet. Für diese vergleichenden Arbeiten wurde ein geeignetes hydrophobes synthetisches Porensystem von Gong et al. ausgewählt, welches die Annahmen von Referenz 5 erfüllen.5–7 Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigte eine qualitative Übereinstimmung der Leitfähigkeiten zwischen beiden Methoden, welche im Fall dieser Pore eine starke Anionen-Selektivität nachwiesen. Auf Grund seiner hydrophoben und gleichzeitig biologischen Eigenschaften wurde die etablierte Analysemethodik abschließend auf den putativen pentameren Ionenkanal Phospholamban angewandt. Hierbei konnte eine mit experimentellen Ergebnissen von Smeazzetto et al. übereinstimmende Kationen-über-Anionen Selektivität nachgewiesen werden, welche zusätzlich die richtige Inter-Kationen-Leitfähigkeiten reproduzierte. Durch die thermodynamische Analyse wurde eine hydrophobe Engstelle als mögliches Selektivitätselement identifiziert. Durch die Formulierung eines thermodynamischen Kreisprozess wurden der lokale und globale Einfluss von Solvatationsbeiträgen im Hinblick auf Ihren Einfluss auf die Kationen-über-Anionen-Selektivität und Inter-Kationen-Selektivität untersucht. Diese Studien zeigten eine große Abhängigkeit beider Selektivitäten von Solvatationseffekten. Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit der Einfluss des Solvens auf die thermodynamische und kinetische Selektivität von polaren und hydrophoben Ionenkanälen gezeigt werden.