Цифрова революція в пробірці: бактеріальні нанопори навчилися «думати» як мозок

Експериментуючи з штучно модифікованими версіями бактеріальної пори аеролізину, швейцарські дослідники встановили, що два ключові ефекти — випрямлення (rectification) та воротний механізм (gating) — виникають внаслідок розподілу електричних зарядів у порі та їхньої взаємодії з іонами, що проходять крізь неї.

Пороутворювальні білки широко представлені серед живих організмів. У людей вони відіграють важливу роль в імунному захисті, тоді як у бактерій вони працюють як токсини, що перфорують клітинні мембрани. Ці мікроскопічні пори забезпечують транспорт іонів і молекул через мембрани, контролюючи молекулярний трафік у клітинах. Завдяки високій точності та контрольованості вчені адаптували їх для біотехнологій, зокрема для секвенування ДНК та молекулярного зондування.

Втім, поведінка біологічних нанопор може бути складною і непередбачуваною. Досі бракувало повного розуміння того, як іони транспортуються крізь них і чому потік іонів інколи повністю припиняється.

Дослідницька група EPFL ідентифікувала фізичні механізми обох ефектів. Поєднавши експерименти in vitro, компʼютерні симуляції та теоретичне моделювання, вчені виявили, що і випрямлення, і воротний механізм зумовлені власними електричними зарядами нанопори та характером взаємодії цих зарядів з іонами, що рухаються крізь пору.

Команда досліджувала аеролізин — бактеріальну пору, яка часто використовується в дослідженнях сенсорики. Вчені модифікували заряджені амінокислоти, що вистилають її внутрішню поверхню, створивши 26 варіантів нанопор, кожен з унікальним розподілом заряду.

Виявилося, що випрямлення відбувається завдяки тому, як заряди вздовж внутрішньої поверхні впливають на рух іонів, полегшуючи їхній потік в одному напрямку порівняно з іншим — подібно до одностороннього клапана. Воротний механізм, натомість, виникає, коли інтенсивний потік іонів порушує баланс зарядів і дестабілізує структуру пори. Цей тимчасовий колапс блокує проходження іонів, поки система не відновиться.

Найбільш значущим моментом стало те, що команда створила нанопору, яка імітує синаптичну пластичність — здатність «навчатися» від імпульсів напруги подібно до нейронного синапсу. У перспективі іонні процесори зможуть використовувати таке молекулярне «навчання» для розробки нових форм обчислень.

Ці результати відкривають нові можливості для конструювання біологічних нанопор із заданими властивостями. Тепер вчені можуть проектувати пори, які мінімізують небажаний воротний механізм, або ж цілеспрямовано використовувати його для біоміметичних обчислень.