Nanosecond, high-intensity electric pulses have been reported to open rectifying pores in biological cell membranes. The present goal is to qualitatively understand and analyze the experimental current-voltage (I-V) data. Here, nanopore transport is probed using a numerical method and on the basis of an analytical model. Our results show that geometric asymmetry in the nanopore would not yield asymmetry in the I-V characteristics. However, positive surface charge lining the pore could produce characteristics that compare well with data from patch-clamp measurements, and a value of ∼0.02 C/m2 is predicted from the numerical calculations.
References
1.
For example,
D.
Voet
and J. G.
Voet
, Biochemistry
(John Wiley & Sons
, New York
, 2004
).2.
S.
Mehier-Humbert
and R. H.
Guy
, Adv. Drug Delivery Rev.
57
, 733
(2005
).3.
T.
Kodama
, Y.
Tomita
, K. I.
Koshiyama
, and M. J. K.
Blomley
, Ultrasound Med. Biol.
32
, 905
(2006
).4.
H.
Schneckenburger
, A.
Hendinger
, R.
Sailer
, W. S. L.
Strauss
, and M.
Schmitt
, J. Biomed. Opt.
7
, 410
(2002
).5.
Y.
Shirahata
, N.
Ohkohchi
, H.
Itagak
, and S.
Satomi
, Invest. Med.
49
, 184
(2001
).6.
S. K.
Mohanty
, M.
Sharma
, and P. K.
Gupta
, Biotechnol. Lett.
25
, 895
(2003
).7.
U. K.
Tirlapur
and K.
Konig
, Nature (London)
418
, 290
(2002
).8.
I.
Vlassiouk
, A.
Krasnoslobodtsev
, S.
Smirnov
, and M.
Germann
, Langmuir
20
, 9913
(2004
).9.
F.
Rios
and S.
Smirnov
, ACS Appl. Mater. Interfaces
1
, 768
(2009
).10.
D.
Wandera
, S. R.
Wickramasinghe
, and S. M.
Husson
, J. Membr. Sci.
357
, 6
(2010
).11.
L.
Ying
, P.
Wang
, E. T.
Kang
, and K. G.
Neoh
, Macromolecules
35
, 673
(2002
).12.
R.
Casasus
, E.
Climent
, M. D.
Marcos
, R.
Martinez-Martinez
, F.
Sanceno
, J.
Soto
, P.
Amoros
, J.
Cano
, and E. J.
Ruiz
, Am. Chem. Soc.
130
, 1903
(2008
).13.
T. D.
Nguyen
, K. C. F.
Leung
, M.
Liong
, C. D.
Pentecost
, J. F.
Stoddart
, and J. I.
Zink
, Org. Lett.
8
, 3363
(2006
).14.
J. H.
Jang
and I.
In
, Chem. Lett.
39
, 1190
(2010
).15.
R. J. C.
Gilbert
, Cell. Mol. Life Sci.
59
, 832
(2002
).16.
A. M.
Bowman
, O. M.
Nesin
, O. N.
Pakhomova
, and A. G.
Pakhomov
, J. Membr. Biol.
236
, 15
(2010
).17.
K. C.
Melikov
, V. A.
Frolov
, A.
Shcherbakov
, A. V.
Samsonov
, Y. A.
Chizmadzhev
, and L. V.
Chernomordik
, Biophys. J.
80
, 1829
(2001
).18.
V.
Zlatko
, A. T.
Esser
, T. R.
Gowrishankar
, and J. C.
Weaver
, Phys. Rev. E
74
, 021904
(2006
).19.
N.
Chen
, K. H.
Schoenbach
, J. F.
Kolb
, R. J.
Swanson
, A. L.
Garner
, J.
Yang
, R. P.
Joshi
, and S. J.
Beebe
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
317
, 421
(2004
).20.
P. T.
Vernier
, Y.
Sun
, L.
Marcu
, S.
Salemi
, C. M.
Craft
, and M. A.
Gundersen
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
310
, 286
(2003
).21.
S. J.
Beebe
, P. F.
Blackmore
, J.
White
, R. P.
Joshi
, and K. H.
Schoenbach
, Physiol. Meas.
25
, 1077
(2004
).22.
R. P.
Joshi
, A.
Nguyen
, V.
Sridhara
, Q.
Hu
, R.
Nuccitelli
, and K. H.
Schoenbach
, Phys. Rev. E
75
, 041920
(2007
).23.
K. H.
Schoenbach
, R. P.
Joshi
, R. H.
Stark
, F. C.
Dobbs
, and S. J.
Beebe
, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
7
, 637
(2000
).24.
R.
Nuccitelli
, U.
Pliquett
, X.
Chen
, W.
Ford
, J. R.
Swanson
, S. J.
Beebe
, J. F.
Kolb
, and K. H.
Schoenbach
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
343
, 351
(2006
).25.
J. C.
Neu
and W.
Krassowska
, Phys. Rev. E
67
, 021915
(2003
).26.
R. P.
Joshi
, Q.
Hu
, and K. H.
Schoenbach
, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
10
, 778
(2003
).27.
Q.
Hu
, R. P.
Joshi
, and K. H.
Schoenbach
, Phys. Rev. E
72
, 031902
(2005
).28.
Q.
Hu
, S.
Viswanadham
, R. P.
Joshi
, K. H.
Schoenbach
, S. J.
Beebe
, and P. F.
Blackmore
, Phys. Rev. E
71
, 031914
(2005
).29.
D. P.
Tieleman
, H.
Leontiadou
, A. E.
Mark
, and S. J.
Marrink
, J. Am. Chem. Soc.
125
, 6382
(2003
).30.
A. G.
Pakhomov
, A. M.
Bowman
, B. L.
Ibey
, F. M.
Andre
, O. N.
Pakhomova
, and K. H.
Schoenbach
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
385
, 181
(2009
).31.
A. G.
Pakhomov
, R.
Shevin
, J. A.
White
, J. F.
Kolb
, O. N.
Pakhomova
, R. P.
Joshi
, and K. H.
Schoenbach
, Arch. Biochem. Biophys.
465
, 109
(2007
).32.
B. L.
Ibey
, S.
Xiao
, K. H.
Schoenbach
, M. R.
Murphy
, and A. G.
Pakhomov
, Bioelectromagnetics
30
, 92
(2009
).33.
L. A.
Baker
and S. P.
Bird
, Nat. Nanotechnol.
3
, 73
(2008
).34.
B.
Zhang
, M.
Wood
, and H.
Lee
, Anal. Chem.
81
, 5541
(2009
).35.
Z. S.
Siwy
, Adv. Funct. Mater.
16
, 735
(2006
).36.
L. J.
Cheng
and L. J.
Guo
, Chem. Soc. Rev.
39
, 923
(2010
).37.
Y. E.
Korchev
, C. L.
Bashford
, G. M.
Alder
, P. Y.
Apel
, D. T.
Edmonds
, A. A.
Lev
, K.
Nandi
, A. V.
Zima
, and C. A.
Pasternak
, FASEB J.
11
, 600
(1997
).38.
E. A.
Heins
, Z. S.
Siwy
, L. A.
Baker
, and C. R.
Martin
, Nano Lett.
5
, 1824
(2005
).39.
Z.
Siwy
and A.
Fuliński
, Am. J. Phys.
72
, 567
(2004
).40.
J.
Cervera
, B.
Schiedt
, R.
Neumann
, S.
Mafe
, and P.
Ramirez
, J. Chem. Phys.
124
, 104706
(2006
).41.
D.
Constantin
and Z. S.
Siwy
, Phys. Rev. E
76
, 041202
(2007
).42.
M.
Ali
, P.
Ramirez
, S.
Mafe
, R.
Neumann
, and W.
Ensinger
, ACS Nano
3
, 603
(2009
).43.
M. L.
Kovarik
, K.
Zhou
, and S. C.
Jacobson
, J. Phys. Chem. B
113
, 15960
(2009
).44.
M.
Ali
, Pa.
Ramirez
, S.
Nasir
, Q. H.
Nguyen
, W.
Ensinger
, and S.
Mafe
, Appl. Phys. Lett.
104
, 043703
(2014
).45.
I.
Vlassiouk
, S.
Smimov
, and Z.
Siwy
, ACS Nano
2
, 1589
(2008
).46.
Q.
Lin
, Y.
Wang
, W.
Guo
, H.
Ji
, J.
Xue
, and Q.
Ouyang
, Phys. Rev. E
75
, 051201
(2007
).47.
N. A.
Simakov
and M. G.
Kurnikova
, J. Phys. Chem. B
114
, 15180
(2010
).48.
S. Yu.
Noskov
, W.
Im
, and B.
Roux
, Biophys. J.
87
, 2299
(2004
), and references therein.49.
H.
Bermúdez
, D. A.
Hammer
, and D. E.
Discher
, Langmuir
20
, 540
(2004
).50.
B. M.
Discher
, Y. Y.
Won
, D. S.
Ege
, J. C. M.
Lee
, F. S.
Bates
, D. E.
Discher
, and D. A.
Hammer
, Science
284
, 1143
(1999
).51.
E.
Perozo
, D. M.
Cortes
, P.
Sompornpisut
, A.
Kloda
, and B.
Martinac
, Nature
418
, 942
(2002
).52.
P.
Wiggins
and R.
Phillips
, Biophys. J.
88
, 880
(2005
).53.
M.
Ali
, S.
Nasir
, P.
Ramirez
, J.
Cervera
, S.
Mafe
, and W.
Ensinger
, ACS Nano
6
, 9247
(2012
).54.
Y.
Ai
, M.
Zhang
, S. W.
Joo
, M. A.
Cheney
, and S.
Qian
, J. Phys. Chem. C
114
, 3883
(2010
).55.
M.
Burger
, R. S.
Eisenberg
, and H. W.
Engl
, SIAM J. Appl. Math.
67
, 960
(2007
).56.
K.
Arning
, M.
Burger
, R. S.
Eisenberg
, H. W.
Engl
, and L.
He
, Proc. Appl. Math. Mech.
7
, 1120801
(2007
).57.
G.
Wolansky
and A.
Taflia
, J. Chem. Phys.
133
, 234113
(2010
).58.
S.
Kang
and Y. K.
Suh
, Microfluid. Nanofluid.
6
, 461
(2009
).59.
S.
Bera
and S.
Bhattacharyya
, Int. J. Eng. Sci.
62
, 165
(2013
).60.
S. E.
Yalcin
, S. Y.
Lee
, S. W.
Joo
, O.
Baysal
, and S.
Qian
, J. Phys. Chem. B
114
, 4082
(2010
).61.
S.
Qian
, A.
Wang
, and J. K.
Afonien
, J. Colloid Interface Sci.
303
, 579
(2006
).62.
H.
Liu
, S.
Qian
, and H. H.
Bau
, Biophys. J.
92
, 1164
(2007
).63.
64.
H. M.
Park
, J. S.
Lee
, and T. W.
Kim
, J. Colloid. Interface Sci.
315
, 731
(2007
).65.
R. P.
Joshi
and Q.
Hu
, Med. Biol. Eng. Comput.
48
, 837
(2010
).66.
I. D.
Kosinska
, I.
Goychuk
, M.
Kostur
, G.
Schmid
, and P.
Hanggi
, Phys. Rev. E
77
, 031131
(2008
).67.
M. A.
Golombeck
, C. H.
Riedel
, and O.
Dossel
, Biomed. Tech. (Berl).
47
(Suppl. 1, Pt. 1
), 253
(2002
).68.
R. P.
Joshi
, V.
Sridhara
, and K. H.
Schoenbach
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
348
, 643
(2006
).69.
P. Y.
Apel
, I. V.
Blonskaya
, N. V.
Levkovich
, and O. L.
Orelovich
, Petrol. Chem.
51
, 555
(2011
).70.
R. P.
Joshi
and K. H.
Schoenbach
, Crit. Rev. Biomed. Eng.
38
, 255
(2010
).71.
S. A.
Pandit
, D.
Bostick
, and M. L.
Berkowitz
, Biophys. J.
84
, 3743
(2003
).72.
R. A.
Bockmann
, A.
Hac
, T.
Heimburg
, and H.
Brubmuller
, Biophys. J.
85
, 1647
(2003
).73.
W.
Nonner
, L.
Catacuzzeno
, and B.
Eisenberg
, Biophys. J.
79
, 1976
(2000
).74.
D.
Boda
, D. D.
Busath
, D.
Henderson
, and S.
Sokołowski
, J. Phys. Chem. B
104
, 8903
(2000
).75.
A. G.
Pakhomov
, private communication (2014
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
