Порообразующие белки, повсеместно встречающиеся в живых организмах, играют ключевую роль в различных биологических процессах. У человека они необходимы для иммунной защиты, тогда как у бактерий часто выступают в качестве токсинов, повреждающих клеточные мембраны. Эти микроскопические поры регулируют движение ионов и молекул сквозь мембраны, контролируя таким образом молекулярный трафик внутри клеток. Благодаря своей точности и управляемости, ученые адаптировали их для биотехнологических нужд, включая секвенирование ДНК и молекулярные сенсорные системы.
Несмотря на революционный вклад в биотехнологию, биологические нанопоры часто демонстрируют сложное и непредсказуемое поведение. До сих пор не было полного понимания того, как именно ионы проходят через них и почему ионный поток периодически прерывается. Два особенно загадочных явления – ректификация и гейтинг – долгое время ставили в тупик исследователей. Ректификация проявляется, когда поток ионов изменяется в зависимости от «знака» (положительного или отрицательного) приложенного напряжения. Гейтинг же характеризуется внезапным снижением или полной остановкой ионного потока. Эти эффекты, особенно гейтинг, могут существенно нарушать работу сенсоров на основе нанопор, и их природу было крайне сложно объяснить.
Теперь исследовательская группа под руководством Маттео Даль Пераро и Александры Раденовик из EPFL смогла выявить физические механизмы, лежащие в основе этих двух явлений. Используя комплексный подход, включающий эксперименты, симуляции и теоретическое моделирование, ученые установили, что как ректификация, так и гейтинг возникают из-за собственных электрических зарядов нанопоры и характера их взаимодействия с проходящими ионами.
Для своих исследований команда сосредоточилась на аэролизине – бактериальной поре, широко используемой в сенсорных технологиях. Модифицируя заряженные аминокислоты, выстилающие ее внутреннюю поверхность, ученые создали 26 различных вариантов нанопоры, каждый из которых обладал уникальной схемой зарядов. Наблюдая за движением ионов через эти измененные поры в различных условиях, они смогли выделить ключевые электрические и структурные факторы. Чтобы лучше проследить динамику этих эффектов, исследователи подавали на нанопоры переменные электрические сигналы. Такой подход позволил им различить ректификацию, которая происходит быстро, и гейтинг, развивающийся значительно медленнее. На основе полученных данных были разработаны биофизические модели, объясняющие наблюдаемые механизмы.
Исследователи обнаружили, что ректификация обусловлена влиянием зарядов на внутренней поверхности поры на движение ионов. Это создает условия, при которых ионам легче проходить в одном направлении, подобно работе одностороннего клапана. Гейтинг же возникает, когда интенсивный поток ионов нарушает баланс зарядов и дестабилизирует структуру поры. Этот временный коллапс блокирует прохождение ионов до тех пор, пока система не вернется в исходное состояние. Оба эффекта критически зависят от точного расположения и типа электрического заряда внутри нанопоры. Изменяя «знак» заряда, команда могла контролировать возникновение и характер гейтинга. Когда жесткость поры увеличивалась, гейтинг полностью прекращался, что подтвердило ключевую роль структурной гибкости в этом феномене.
Эти открытия открывают новые горизонты для создания биологических нанопор с заданными свойствами. Теперь ученые могут проектировать поры, минимизирующие нежелательный гейтинг для сенсорных применений, или целенаправленно использовать гейтинг для биовдохновленных вычислений. В рамках одной из демонстраций команда разработала нанопору, имитирующую синаптическую пластичность, «обучающуюся» на основе электрических импульсов, подобно нейронному синапсу. Это открытие предполагает, что будущие ионные процессоры смогут однажды использовать такое молекулярное «обучение» для создания новых форм вычислений.
