Формирующие поры белки встречаются повсюду в природе
Формирующие поры белки распространены в природе. У человека они играют ключевую роль в иммунной защите, а у бактерий часто действуют как токсины, пробивающие отверстия в клеточных мембранах. Эти биологические поры позволяют ионам и молекулам проходить через мембраны. Их уникальная способность контролировать молекулярный транспорт сделала их мощным нанопористым инструментом в биотехнологии, например, в секвенировании ДНК и молекулярном зондировании.
Непредсказуемое поведение нанопористых систем
Несмотря на важность и влияние на биотехнологию, биологические нанопоры могут демонстрировать сложное и непредсказуемое поведение. Например, учёные до сих пор не до конца понимают, как ионы движутся через них или почему иногда поток ионов прекращается.
Два явления особенно озадачивали исследователей в течение многих лет:
* Ректификация, при которой поток ионов отличается в зависимости от «знака» (плюс или минус — положительный или отрицательный) приложенного напряжения.
* Гейтирование, при котором поток резко уменьшается.
Оба эффекта, особенно гейтирование, мешают работе сенсоров, но до сих пор были плохо изучены.
Открытие физических основ эффектов
Команда под руководством Маттео Даль Пераро и Александры Раденкович из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) раскрыла физическую основу этих эффектов. Сочетая эксперименты, моделирование и теорию, исследователи показали, что как ректификация, так и гейтирование контролируются электрическими зарядами самой нанопоры и тем, как эти заряды взаимодействуют с ионами, проходящими через пору.
Работа опубликована в Nature Nanotechnology.
Исследователи сосредоточились на аэролизине, бактериальной поре, часто используемой в сенсорах. Систематически изменяя заряженные аминокислоты вдоль внутренней поверхности поры, они создали 26 вариантов нанопор с различными схемами зарядов. Затем они измерили, как ионы проходили через эти мутантные поры в различных условиях.
Учёные применяли сигналы переменного напряжения для исследования системы в разные временные масштабы. Это позволило им отделить ректификацию от гейтирования, которое происходит в основном на более длительных временных масштабах. Наконец, учёные использовали биофизические модели для интерпретации данных и выявления основных механизмов.
Исследование показало, что ректификация происходит из-за того, как электрические заряды, выстилающие внутреннюю часть поры, влияют на движение ионов. Распределение зарядов облегчает прохождение ионов в одном направлении больше, чем в другом, подобно одностороннему клапану.
Гейтирование, с другой стороны, происходит, когда большой поток ионов приводит к нарушению баланса зарядов, что структурно дестабилизирует пору, вызывая временное схлопывание части поры и блокируя поток ионов.
Оба эффекта зависят не только от количества заряда, но и от его точной локализации в нанопоре и от того, является ли он положительным или отрицательным. Изменяя «знак» заряда, учёные могли настраивать время открытия поры и условия, при которых это происходит. Они также обнаружили, что если структура поры становится более жёсткой, гейтирование прекращается вовсе, что подтверждает ключевую роль гибкости поры.
Результаты исследования предлагают способ точной настройки биологических нанопор для конкретных задач. Например, инженеры теперь могут проектировать поры, которые в значительной степени избегают гейтирования в нанопористых сенсорах, а для других приложений, таких как биоинспирированные вычисления, гейтирование может быть использовано.
Исследователи создали нанопору, имитирующую синаптическую пластичность, «учась» на импульсах напряжения, подобно нейронному синапсу. Такие системы однажды могут стать основой ионных процессоров.