ネーアーとザクマンは吸引密封したガラスピペットを通して単一イオンチャネルの音を聞いた

1970年代初頭までに、ほとんどの生理学者はイオンが特定の細孔を通って細胞膜を通過すると信じていたが、その細孔を実際に見た者は誰もいなかった。ホジキンとハクスリーは1952年にイカの軸索からチャネルの存在を推論していたが、単一チャネルが運ぶのはわずか数ピコアンペア——従来の微小電極が漏れや熱雑音の中できれいに分解できた値の約10億分の1——にすぎないため、その存在そのものをめぐる10年にわたる論争はなおも続いていた。標準的な対応は、より多く増幅し、より長く平均化することだった。

ミュンヘンのマックス・プランク精神医学研究所で、エルヴィン・ネーアーとベルト・ザクマンは、数マイクロメートル幅のガラス微小ピペットを除神経したカエル筋線維に押し当て、先端下のパッチを通過するものを記録した。1976年のNature論文では密封は不十分で——ピペット抵抗は数メガオーム、密封抵抗は数十から数百メガオーム——それでも数ピコアンペアの離散的な階段状電流が現れた。これは単一の天然チャネルの最初の記録であり、チャネルが存在するかどうかをめぐる論争を即座に終わらせた。

これを日常的な手法にした工夫がギガシールである。ピペット先端を火炎研磨し、軽い吸引を加えると、膜がガラスに非常に強く張り付き、密封抵抗は数百メガオームの範囲から数十ギガオームへと跳ね上がった（Hamill, Marty, Neher, Sakmann and Sigworth, 1981）。背景ノイズは桁違いに低下し、同じガラスの把持はパッチを細胞から引き剥がしても維持された。こうして細胞付着、ホールセル、インサイドアウト、アウトサイドアウトという、今もこの分野を標準化している配置が生まれた。

ガラスを細胞に押し当て、吸引によってギガオームシールを作る

密封抵抗が漏れを決める。数十ギガオームでは、パッチ電流のほぼすべてがピペットの縁から逃げずに増幅器へ流れ込む。

ノイズは漏れコンダクタンスに比例するため、1000倍強く密封すれば、ピコアンペアの階段を隠していた背景が静まった。

吸引研磨したガラスには、新しい電子機器ではなく、すでに実験台にあった道具——マイクロフォージと注射器——しか必要なかった。

この把持は細胞からの切り出し後も維持され、一つの工夫が四つの標準的な記録配置になった。

信号を大きくできないなら、ノイズを小さくせよ。突破口はより優れた増幅器ではなく、並行する逃げ道をすべて取り除き、残った一つの経路に物語のすべてを担わせたことだった。

パッチクランプはチャネル生物物理学の主力手法となった。動態、選択性フィルター、ゲーティングセンサーが単一分子レベルで解明され、ピペットで記録した静電容量の段階から、ネーアーは分泌中に単一の小胞が融合するのを観察できた。イオンチャネルは仮説から最大級の薬剤標的クラスの一つへと移行し、ノーベル賞委員会は、ネーアーとザクマンに1991年ノーベル生理学・医学賞を授与した時点で、この方法がすでに世界中の数千人の科学者に使われていたと指摘した。現在では自動パッチクランプが製薬スクリーニングで1日に数千の細胞記録を処理している。