Nanoporti care funcționează ca porți electrice pavează drumul pentru calculul bazat pe ion
Conform unui studiu realizat de o echipă de cercetători de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, nanoportii biologici au capacitatea de a acționa ca porți electrice, facilitând avansuri semnificative în domeniul calculului bazat pe ioni. Această descoperire este crucială pentru îmbunătățirea aplicațiilor din biotehnologie, precum secvențierea ADN-ului și sisteme de detectare a moleculelor.
Nanoportii, proteine care formează pori în membranele celulare, permit trecerea ionilor și moleculor, influențând în mod direct procesele biologice. În organismul uman, aceștia joacă roluri esențiale în apărarea imunitară, în timp ce în bacterii pot acționa ca toxine, producând daune membranelor celulare. În ciuda importanței lor, comportamentul complex și adesea imprevizibil al nanoportilor rămâne un subiect de studiu activ; de exemplu, modul în care ionii se mișcă prin aceștia nu este pe deplin înțeles.
Două fenomene proeminente care au stârnit confuzie printre cercetători sunt rectificarea și gating-ul. Rectificarea se referă la variația fluxului de ioni în funcție de polaritatea tensiunii aplicate, în timp ce gating-ul se referă la stoparea bruscă a fluxului de ioni. Aceste efecte pot interfera semnificativ cu aplicațiile de detectare, dar rămân puțin înțelese.
Echipa condusă de Matteo Dal Peraro și Aleksandra Radenovic a descoperit acum baza fizică a acestor fenomene. Prin combinarea experimentelor și simulărilor cu teorie, cercetătorii au arătat că atât rectificarea, cât și gating-ul sunt controlate de sarcinile electrice ale nanoportului și modul în care acestea interacționează cu ionii care curg prin por.
Folosind aerolisina, un tip de proteină bacteriană frecvent utilizată în aplicațiile de detectare, cercetătorii au efectuat mutații sistematice ale aminoacizilor încărcați pe suprafața interioară a porului, generând 26 de variante de nanopori cu diferite modele de sarcini. Acest experiment a permis măsurarea fluxului de ioni prin aceste pori mutanți, oferind date valoroase despre comportamentul acestora.
Cercetătorii au aplicat semnale electrice alternative pentru a investiga sistemul la diferite intervale de timp, reușind astfel să disocieze efectul rectificării de gating, care are loc în principal la intervale de timp mai lungi. Interpretarea datelor a fost posibilă prin modelele biofizice care au ajutat la identificarea mecanismelor fundamentale responsabile.
Studiul a demonstrat că rectificarea apare datorită distribuției sarcinilor electrice din interiorul porului, facilitând mișcarea ionilor într-o direcție mai ușoară decât în alta, asemănător unei valve unidirecționale. Gating-ul, pe de altă parte, se petrece atunci când un flux mare de ioni duce la un dezechilibru de sarcină, destabilizând structural porul și provocând colapsul temporar al unei părți din acesta, blocând astfel fluxul de ioni.
Acest studiu oferă oportunități noi pentru ajustarea nanoportilor biologici în scopuri specifice. De exemplu, inginerii pot proiecta pori care evită în mare măsură fenomenul de gating în aplicațiile de detectare, în timp ce pentru alte utilizări, cum ar fi calculul inspirat de biologie, gating-ul poate fi exploatat. Practic, cercetătorii au reușit să construiască un nanopor care imită plasticitatea sinaptică, „învățând” din impulsurile electrice asemănător sinapselor neuronale, ceea ce ar putea forma baza procesorilor pe baza ionilor în viitor.
În concluzie, această cercetare reprezintă un pas semnificativ în orientarea viitoare a tehnologiilor de calcul bazate pe ioni, îmbunătățind nu doar înțelegerea fundamentală a comportamentului nanoporilor, dar și aplicabilitatea lor în diverse domenii tehnologice avansate.
