Нанопоры как электрические вентили открывают путь к ионным компьютерам

Порообразующие белки широко распространены в природе. У людей они играют ключевую роль в иммунной защите, а у бактерий часто выступают как токсины, пробивающие отверстия в клеточных мембранах. Эти биологические поры позволяют ионам и молекулам проходить через мембраны. Их уникальная способность контролировать молекулярный транспорт также сделала их мощными нанопоровыми инструментами в биотехнологии, например, для секвенирования ДНК и молекулярного детектирования.

Несмотря на их важность и влияние на биотехнологию, биологические нанопоры могут демонстрировать сложное, непредсказуемое поведение; например, учёные до сих пор не до конца понимают, как ионы движутся через них или почему поток ионов иногда останавливается.

Два явления особенно озадачивали исследователей годами: ректификация, когда поток ионов различается в зависимости от "знака" (плюс или минус — положительного или отрицательного) приложенного напряжения, и гейтинг, когда поток резко снижается. Оба эффекта, особенно гейтинг, мешают применению в сенсорике, но оставались плохо изученными.

Теперь команда под руководством Маттео Даль Пераро и Александры Раденович из EPFL раскрыла физическую основу этих эффектов. Комбинируя эксперименты, симуляции и теорию, исследователи показали, что и ректификация, и гейтинг контролируются электрическими зарядами самой нанопоры и тем, как эти заряды взаимодействуют с ионами, протекающими через пору.

Работа опубликована в Nature Nanotechnology.

Исследователи сосредоточились на аэролизине, бактериальной поре, часто используемой в сенсорике. Систематически мутируя заряженные аминокислоты вдоль внутренней поверхности поры, они создали 26 вариантов нанопор с различными зарядовыми паттернами. Затем они измерили, как ионы протекают через эти мутантные поры в различных условиях.

Учёные применили переменные сигналы напряжения, чтобы исследовать систему на разных временных масштабах. Это позволило им разделить ректификацию и гейтинг, который происходит в основном на более длинных временных масштабах. Наконец, исследователи использовали биофизические модели для интерпретации данных и выявления лежащих в основе механизмов.

Имитация синаптической пластичности

Исследование показало, что ректификация происходит из-за того, как электрические заряды, выстилающие внутреннюю часть поры, влияют на движение ионов. Распределение заряда облегчает прохождение ионов в одном направлении, чем в другом, подобно обратному клапану. Гейтинг, с другой стороны, происходит, когда большой поток ионов приводит к нарушению баланса зарядов, что структурно дестабилизирует пору, заставляя часть поры временно схлопываться и блокировать поток ионов.

Оба эффекта зависят не только от количества заряда, но и от того, где именно он локализован в нанопоре и является ли он положительным или отрицательным. Изменяя "знак" заряда, учёные могли настраивать, когда и при каких условиях пора закрывается. Они также обнаружили, что если структуру поры сделать более жёсткой, гейтинг полностью прекращается, что подтверждает ключевую роль гибкости поры.

Результаты исследования предлагают способ тонкой настройки биологических нанопор для конкретных задач. Например, инженеры теперь могут проектировать поры, которые в значительной степени избегают гейтинга в нанопоровой сенсорике, в то время как для других применений, таких как биоинспирированные вычисления, гейтинг можно использовать.

Фактически, исследователи создали нанопору, имитирующую синаптическую пластичность, "обучающуюся" от импульсов напряжения подобно нейронному синапсу. Такие системы однажды могут стать основой для ионных процессоров.