Цифровая революция в пробирке: бактериальные нанопоры научились «думать» как мозг

Экспериментируя с искусственно модифицированными версиями бактериальной поры аэролизина, швейцарские исследователи установили, что два ключевых эффекта — выпрямление (rectification) и воротный механизм (gating) — возникают вследствие распределения электрических зарядов в поре и их взаимодействия с ионами, проходящими сквозь нее.

Порообразующие белки широко представлены среди живых организмов. У людей они играют важную роль в иммунной защите, тогда как у бактерий они работают как токсины, перфорирующие клеточные мембраны. Эти микроскопические поры обеспечивают транспорт ионов и молекул через мембраны, контролируя молекулярный трафик в клетках. Благодаря высокой точности и контролируемости ученые адаптировали их для биотехнологий, в частности для секвенирования ДНК и молекулярного зондирования.

Впрочем, поведение биологических нанопор может быть сложным и непредсказуемым. До сих пор не хватало полного понимания того, как ионы транспортируются сквозь них и почему поток ионов иногда полностью прекращается.

Исследовательская группа EPFL идентифицировала физические механизмы обоих эффектов. Соединив эксперименты in vitro, компьютерные симуляции и теоретическое моделирование, ученые обнаружили, что и выпрямление, и воротный механизм обусловлены собственными электрическими зарядами нанопоры и характером взаимодействия этих зарядов с ионами, движущимися сквозь пору.

Команда исследовала аэролизин — бактериальную пору, которая часто используется в исследованиях сенсорики. Ученые модифицировали заряженные аминокислоты, выстилающие ее внутреннюю поверхность, создав 26 вариантов нанопор, каждый с уникальным распределением заряда.

Оказалось, что выпрямление происходит благодаря тому, как заряды вдоль внутренней поверхности влияют на движение ионов, облегчая их поток в одном направлении по сравнению с другим — подобно одностороннему клапану. Воротный механизм, напротив, возникает, когда интенсивный поток ионов нарушает баланс зарядов и дестабилизирует структуру поры. Этот временный коллапс блокирует прохождение ионов, пока система не восстановится.

Наиболее значимым моментом стало то, что команда создала нанопору, которая имитирует синаптическую пластичность — способность «обучаться» от импульсов напряжения подобно нейронному синапсу. В перспективе ионные процессоры смогут использовать такое молекулярное «обучение» для разработки новых форм вычислений.

Эти результаты открывают новые возможности для конструирования биологических нанопор с заданными свойствами. Теперь ученые могут проектировать поры, которые минимизируют нежелательный воротный механизм, или же целенаправленно использовать его для биомиметических вычислений.