Peter Agre savait également que les ions mercuriques Hg²⁺ empêchent les cellules d'absorber ou de désorber l'eau. Il montra que le transport de l'eau par la protéine aquaporine est également empêché par la présence de ces ions Hg²⁺. Cela lui confirma que ce qu'il avait découvert s'avèrait être le canal hydrique, d'où le nom d'aquaporine, littéralement "pore à eau". En effet, la protéine membranaire AQP1 est sensible aux agents mercuriques qui bloquent sa perméabilité en s'associant à un résidu cystéine présent dans sa structure primaire, la cystéine 189.

En 2000, Peter Agre et d'autres équipes de recherche présentèrent les premières images à haute résolution de la structure tridimensionnelle de l'aquaporine. À l'aide de ces données, il a été possible de schématiser précisément le fonctionnement du canal hydrique. En effet, des modèles détaillés ont été proposés pour expliquer la stricte sélectivité vis à vis de l'eau, et la capacité de l'aquaporine à empêcher le passage des protons. En effet, les canaux hydriques n'assurent pas le passage des protons qui pourtant est fondamental, car la différence de concentration en protons entre l'intérieur et l'extérieur des cellules est la base du système de stockage d'énergie cellulaire.

Il s'avère que la structure tridimensionnelle de l'aquaporine permet aux molécules d'eau de traverser la membrane cellulaire grâce à des interactions électrostatiques favorables et n'assure pas le passage des entités chargées, telles que les ions oxonium H₃O⁺ à travers celle-ci. Mais comment peut-on l'expliquer ? Le champ électrostatique local produit par la protéine inverse la polarité du milieu à mi-chemin du canal, forçant ainsi les molécules d'eau à subir une rotation. En effet, les moments dipolaires des molécules d'eau sont orientés selon des directions opposées dans la moitié supérieure et la moitié inférieure du canal hydrique. Cette réorientation empêche la formation d'un réseau continu de molécules d'eau et rend impossible l'établissement de liaisons hydrogènes à travers le canal hydrique. Elle bloque ainsi le passage des protons via le mécanisme de Grotthuss. Ainsi les molécules d'eau peuvent suivre librement leur chemin à travers les étroits canaux hydriques en s'orientant grâce au champ électrique local créé par les atomes des parois du canal hydrique et a contrario les protons H₃O⁺ sont stoppés et repoussés de ce canal du fait de leur charge positive.

Durant ces 10 dernières années, les canaux hydriques ont été l'objet de champs de recherches intenses. Les aquaporines semblent constituer une famille de protéines importante et fondamentale à la vie, dans la mesure où ces protéines assurent une fonction de régulation du volume d'eau de la cellule et par conséquent du corps tout entier. Elles existent dans les bactéries, dans les plantes, les animaux et l'homme. A l'heure actuelle, près de 200 aquaporines ont été découvertes, aussi bien dans le règne animal que végétal. Pour le seul corps humain, au moins 11 variantes ont été découvertes. Elle porte le nom d'AQP suivi d'un chiffre qui correspond à leur ordre de découverte.

Le fonctionnement de ces protéines a été établi pour les bactéries, les plantes et les animaux, en mettant l'accent sur leur rôle physiologique. Chez l'homme, les aquaporines jouent un rôle fondamental dans les mouvements d'eau au niveau des tubules rénaux. Pour comprendre l'importance de ces aquaporines, il suffit de prendre l'exemple du rein où les éléments fonctionnels filtrent le sang pour en éliminer les déchets, et réabsorbent les constituants nécessaires à l'organisme, comme l'eau, pour maintenir constant la composition sanguine et assurer la régulation de la pression artérielle.

En effet, le rein est un appareil ingénieux qui permet d'éliminer les substances dont le corps doit se débarrasser. Dans les glomérules rénaux (tubules rénaux), de fonctionnement similaire à un tamis, l'eau, les ions, et les autres petites molécules quittent le sang sous forme d'urine dite primaire. En 24 heures, environ 170 litres d'urine primaire est produite. Heureusement, l'essentiel est réabsorbé par une série de mécanismes astucieux de telle sorte que finalement, seul 1 litre d'urine quitte l'organisme par jour. Des glomérules, l'urine primaire passe à travers un tubule en zig-zag où environ 70 % de l'eau est réabsorbé dans le sang par l'aquaporine AQP1, située dans les membranes luminales et basolatérales du tubule proximal, dans le segment grêle descendant et les vasa recta. A la fin du tubule, 10 autres % d'eau sont réabsorbés par une aquaporine similaire, l'aquaporine de type 2 ou AQP2, située au niveau du tube collecteur. Indépendamment, les ions sodium, potassium et chlorure sont également réabsorbés dans le sang. Une hormone antidiurétique, HAD, appelée aussi vasopressine, ou encore arginine vasopressine1 stimule entre autre le transport des aquaporines AQP2 du cytoplasme jusque dans la membrane apicale et de ce fait augmente la réabsorption d'eau de l'urine primaire. Ainsi l'HAD augmente la perméabilité à l'eau du tube collecteur dans la partie corticale et médullaire du rein. Elle favorise l'incorporation de canaux aqueux ou aquaporines dans la membrane apicale du tube collecteur et favorise leur ouverture, ce qui permet la réabsorption de l'eau. Les personnes présentant un dysfonctionnement vis à vis de cette hormone sont affectés par la maladie du diabète insipide, se manifestant par une sécrétion journalière d'urine de 10 à 15 litres.

Le chimiste physicien allemand Wilhelm Ostwald (prix nobel de chimie 1909) indiqua en 1890 que les signaux électriques mesurés dans les tissus vivants pouvaient être créés par le mouvement ionique extra et intracellulaire. Cette idée électrochimique fut rapidement admise. La notion d'existence d'étroits canaux ioniques vit le jour en 1920. Les deux scientifiques britanniques Alan Hodgkin et Andrew Huxley découvrirent un concept révolutionnaire dans les années 1950 et reçurent pour cela le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1963. Ils montrèrent comment la circulation des ions à travers la membrane des cellules nerveuses produit un signal qui est transmis de cellule nerveuse à cellule nerveuse tel un relai dans une course à pied. Ce sont principalement les ions sodium et potassium, Na⁺ et K⁺, qui sont actifs dans ces réactions.

Ainsi il y a plus de 50 ans, la connaissance des fonctions centrales des canaux ioniques étaient déjà bien avancée. Ces canaux ioniques sont très sélectifs vis à vis des ions, ils peuvent permettre le passage sélectif d'un type d'ion et pas des autres. De plus les canaux peuvent s'ouvrir ou se fermer et parfois ne permettre que le passage des ions dans une seule direction. Cependant la manière dont ce mécanisme moléculaire fonctionne demeura longtemps un mystère.

Dans les années 1970 il fut montré que les canaux ioniques pouvaient accepter uniquement certains ions puisqu'ils étaient équipés en quelque sorte de filtres ioniques. Un intérêt plus particulier fut porté sur la recherche des canaux qui permettent le passage des ions potassium, mais pas des ions sodium, même si les ions sodium sont plus petits que les ions potassium. On a alors suspecté que les atomes d'oxygène, dans la protéine, jouent un rôle important comme substituts vis à vis des molécules d'eau par lesquelles l'ion potassium est entouré en solution aqueuse et dont il doit se libérer dès qu'il franchit l'entrée du canal. Mais progresser plus loin dans cette hypothèse était difficile. Ce qui restait à présent nécessaire à acquérir, était alors obtenu via des images à haute résolution fournies par la technique de cristallographie à rayon X. Le problème était qu'il était alors extrêmement difficile de déterminer la structure de protéine membranaire par cette méthode, et les canaux ioniques n'étaient alors pas une exception. Les protéines membranaires végétales et animales sont plus compliquées et difficiles à travailler que celles des bactéries.

Beaucoup de chercheurs ont essayé en vain. C'est alors que la percée est venue d'une direction inattendue. Roderick MacKinnon, après avoir étudié la biochimie, s'est tourné vers la médecine et a été qualifié en tant que docteur médical. Après avoir travaillé en tant que médecin pendant quelques années, il s'est alors intéressé aux canaux ioniques dont il a commencé à faire la recherche : "ma carrière scientifique a en effet commencé à l'âge de 30 ans", a-t-il admis. Mais sa carrière s'est alors fortement accélérée. Se rendant compte que de meilleures et hautes résolutions de structures étaient nécessaires pour comprendre comment fonctionnaient les canaux ioniques, il a décidé d'apprendre les principes fondamentaux de la cristallographie de rayon X. C'est alors qu'il provoqua la surprise dans l'ensemble de la communauté scientifique lorsqu'il réussit, en avril 1998, à déterminer la structure spatiale d'un canal à potassium de Streptomyces lividans, appelé KcsA.

En 1998, MacKinnon a déterminé la première structure à haute résolution du canal ionique KcsA, à partir d'une bactérie appelée Streptomyces lividans. MacKinnon a alors expliqué, pour la première fois, comment un canal ionique fonctionnait au niveau atomique. Le filtre ionique, qui admet des ions potassium et arrête des ions sodium, peut à présent être étudié en détail. Non seulement il était alors possible de déterminer comment les ions pouvaient traverser le canal ionique, mais on pouvait également observer les ions dans la structure cristalline du canal ionique : ils sont entourés par des molécules d'eau juste avant d'entrer dans le filtre ionique de sélection, puis traversent sans ligand le filtre et enfin sont à nouveau complexés par des molécules d'eau. MacKinnon a pu expliquer pourquoi des ions potassium, et non des ions sodium, étaient admis par le filtre ionique : ceci est dû au fait que la distance entre l'ion potassium et les atomes d'oxygène dans le filtre ionique de ce canal est identique à celle entre l'ion potassium et les atomes d'oxygène des molécules d'eau entourant l'ion de potassium lorsqu'il est en dehors du filtre. Il peut ainsi traverser le filtre librement. Cependant, l'ion de sodium, qui est plus petit que l'ion de potassium, ne peut pas passer par le canal, car il ne s'ajuste pas correctement avec les atomes d'oxygène du filtre et reste donc dans la solution aqueuse. La capacité du canal pour dépouiller l'ion potassium de ses ligands (eau) et lui permettre de traverser le canal ionique n'a aucun coût du point de vue énergétique. Ainsi, le filtre à potassium se compose d'une série de fixations qui, en mimant l'hydratation de l'ion potassium, permettent de fixer des ions potassium sans leur couronne d'hydratation. Ce procédé semble donc être un procédé de transfert d'ions sélectif et catalysé.

La cellule est également susceptible de commander l'ouverture et la fermeture des canaux ioniques. En effet, des comparaisons de structure ont permis à MacKinnon de montrer que des changements de conformation des hélices membranaires des canaux ioniques permettent de les ouvrir et de les fermer. Ce changement de conformation bloque l'issue du canal, appelée "porte". Cette régulation est gérée par une sorte de "sonde" moléculaire. La sonde est située près de la porte. Ces sondes réagissent à certains signaux, par exemple une augmentation de la concentration des ions calcium, une tension électrique au-dessus de la membrane cellulaire... En reliant différentes sondes aux canaux ioniques, la nature a créé des canaux répondant à un grand nombre de signaux différents.

Les canaux à ions sont vitaux au bon fonctionnement du système nerveux et des muscles. La principale fonction de ces canaux ioniques est celle de microgénérateurs d'électricité biologique qui permettent aux cellules du système nerveux de communiquer entre elles et avec leurs organes cibles, aux cellules musculaires et vasculaires de déclencher leur contraction, aux cellules cardiaques de déclencher la contraction rythmique, aux cellules du système endocrinien de déclencher la sécrétion d'hormones. Ces canaux ioniques sont des macromolécules protéiques situées dans les membranes cellulaires et permettent le transit sélectif de sodium, de potassium ou de calcium de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule ou vice-versa...

Par exemple, le potentiel d'action des cellules nerveuses ou neurones apparaît lorsqu'un canal ionique, situé à la surface d'un neurone est ouvert par un signal chimique, envoyé par un neurone adjacent. Après quoi une impulsion électrique se propage le long de la surface de la cellule nerveuse grâce à l'ouverture et à la fermeture d'une série de canaux ioniques, cela en l'espace de quelques millisecondes.

Ainsi ces structures sont présentes dans les cellules nerveuses, musculaires et cardiaques. Leur étude nous fournit des renseignements sur de nombreuses pathologies et leur possible traitement, comme l'analyse du mode d'action des bloqueurs des canaux ioniques du calcium, classe thérapeutique contre l'hypertension artérielle. A l'heure actuelle, des médicaments ont déjà trouvé leur efficacité en agissant au niveau des canaux ioniques. Par exemple, on a pu montrer que les sulfonylurées antidiabétiques utilisées par des millions de patients, mais dont le mécanisme d'action était inconnu, avaient pour cible une classe particulière de canaux ioniques, perméables au potassium, dans les cellules pancréatiques qui assurent la sécrétion de l'insuline. Par ailleurs, on a pu découvrir une nouvelle classe de canaux au potassium jouant un rôle central dans le contrôle du potentiel de repos des cellules nerveuses du cerveau et de la moelle épinière. Ces canaux sont présents dans les neurones associés au processus de mémorisation ou liés aux activités motrices. Cette découverte peut permettre d'envisager par exemple la création de nouveaux éléments anesthésiques d'efficacité accrue.