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Une membrane biologique en silicium

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Le monde du vivant exploite depuis longtemps des membranes semi-perméables pour ses opérations. Les canaux et les pompes ioniques des membranes lipidiques des neurones en sont un des exemples les plus connus. De manière générale, il y a toutes sortes d'opérations de filtrages moléculaires, importantes pour la recherche et l'industrie, qui bénéficieraient de la mise au point de membranes artificielles contrôlables imitant celles des systèmes biologiques. Jean-Pierre Leburton et ses collègues de l'University of Illinois viennent de publier les résultats de la modélisation d'un tel système basé sur l'emploi des semi-conducteurs.

Les pompes échangeuses d'ions, comme la pompe Na/K, échangent des ions de différentes espèces et génèrent des gradients électrochimiques pour divers types d'ions (Crédit :Erik Harvey-Girard).

L'idée est d'imiter le fonctionnement des cellules nerveuses à l'aide de deux couches de silicium dopées différemment et épaisses de 12 nanomètres chacune. On perce ensuite des nanopores, afin de constituer la base analogue des canaux et des pompes ioniques, et l'on soumet le tout à une différence de potentiel électrostatique. Les deux couches se chargent alors, l'une positivement et l'autre négativement tout comme dans le cas de la polarisation des membranes cellulaires.

Les nanopores eux-mêmes ont une forme de sablier d'un diamètre de 1 nanomètre au milieu et de 6 nanomètres pour les parties débouchant sur les deux côtés de la membrane artificielle. De façon intéressante, la taille de ces ouvertures est modulable à l'aide de la différence de potentiel.

Dans la nature, les membranes semi-perméables permettent de contrôler le flux et les types d'ions qui pénètrent dans une cellule et donc les échanges entre les milieux intra et extra cellulaires. Dans le cas des cellules nerveuses par exemple, les ions sodium et potassium rentrent et sortent à l'aide des pompes et des canaux ioniques et ceci est central pour la propagation de l'influx nerveux. Sans ceux-ci, la bi-couche lipidique constituant les membranes ne  laisserait pas passer les ions Na+ et K+.

Plusieurs types de canaux ioniques dépendant du voltage existent selon leur capacité de sélection ionique. Le sens du courant qui traverse chaque type de canaux ioniques dépend du sens du gradient électrochimique de chaque ion sélectionné. Les principaux types de canaux ioniques dépendants du voltage sont au sodium (Na+), au potassium (K+) et au calcium (Ca++)(Crédit : Erik Harvey-Girard).

D'après Jean-Pierre Leburton, Maria Gracheva et Julien Vidal, le type de membrane artificielle qu'ils proposent est plus adaptatif que les membranes biologiques , aussi bien les performances que l'étendue des types de molécules filtrables seraient plus importantes.

On peut même imaginer séquencer l'ADN plus rapidement et à moindre coût en utilisant ce procédé, et pas seulement filtrer des protéines ou détecter des molécules spécifiques. On peut citer aussi des applications très variées, comme dessaler l'eau de mer ou filtrer les rejets CO2 pour lutter contre l'effet de serre.