Nanoporiën die als elektrische poorten fungeren, maken de weg vrij voor op ionen gebaseerd computergebruik

Poriënvormende eiwitten komen overal in de natuur voor. Bij mensen spelen ze een sleutelrol bij de immuunafweer, terwijl ze bij bacteriën vaak fungeren als gifstoffen die gaten in celmembranen slaan. Deze biologische poriën zorgen ervoor dat ionen en moleculen door membranen kunnen gaan. Hun unieke vermogen om moleculair transport te controleren heeft hen ook tot krachtige nanoporiëninstrumenten in de biotechnologie gemaakt, bijvoorbeeld bij DNA-sequencing en moleculaire detectie.

Ondanks hun belang en impact op de biotechnologie kunnen biologische nanoporiën ook complex, onvoorspelbaar gedrag vertonen; Wetenschappers begrijpen bijvoorbeeld nog steeds niet volledig hoe ionen erdoorheen bewegen of waarom de ionenstroom soms stopt.

Twee fenomenen hebben onderzoekers jarenlang vooral in verwarring gebracht: rectificatie, waarbij de ionenstroom verschilt afhankelijk van het “teken” (plus of min – positief of negatief) van de aangelegde spanning, en gating, waarbij de stroom abrupt afneemt. Beide effecten, vooral gating, interfereren met detectietoepassingen, maar zijn nog steeds slecht begrepen.

Nu heeft een team onder leiding van Matteo Dal Peraro en Aleksandra Radenovic van EPFL de fysieke basis voor deze effecten blootgelegd. Door experimenten, simulaties en theorie te combineren, laten de onderzoekers zien dat zowel rectificatie als poorting worden gecontroleerd door de elektrische ladingen van de nanoporie zelf, en hoe die ladingen interageren met ionen die door de porie stromen.

Het werk is geweest gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

De onderzoekers concentreerden zich op aerolysine, een bacteriële porie die vaak wordt gebruikt bij detectie. Door systematisch geladen aminozuren langs het binnenoppervlak van de porie te muteren, creëerden ze 26 nanoporiënvarianten met verschillende ladingspatronen. Vervolgens maten ze hoe ionen onder verschillende omstandigheden door deze gemuteerde poriën stroomden.

De wetenschappers pasten wisselspanningssignalen toe om het systeem op verschillende tijdschalen te onderzoeken. Hierdoor konden ze rectificatie scheiden van gating, wat voornamelijk op langere tijdschalen plaatsvindt. Ten slotte gebruikten de wetenschappers biofysische modellen om de gegevens te interpreteren en onderliggende mechanismen te identificeren.

Bootst synaptische plasticiteit na

Uit de studie bleek dat rectificatie plaatsvindt vanwege de manier waarop de elektrische ladingen aan de binnenkant van de porie de ionenbeweging beïnvloeden. De ladingsverdeling maakt het gemakkelijker voor ionen om in de ene richting te gaan dan in de andere, zoals een eenrichtingsklep. Gating daarentegen treedt op wanneer een grote stroom ionen leidt tot een onbalans in de lading die de porie structureel destabiliseert, waardoor een deel van de porie tijdelijk instort, waardoor de ionenstroom wordt geblokkeerd.

Beide effecten zijn niet alleen afhankelijk van de hoeveelheid lading, maar ook van waar deze zich precies in de nanoporie bevindt en of deze positief of negatief is. Door het teken van de lading te veranderen, konden de wetenschappers afstemmen wanneer de porie wordt geopend en onder welke omstandigheden. Ze ontdekten ook dat als de structuur van de porie stijver wordt gemaakt, deze helemaal niet meer opengaat, wat bevestigt dat porieflexibiliteit een sleutelrol speelt.

De bevindingen van het onderzoek bieden een manier om biologische nanoporiën te verfijnen voor specifieke taken. Ingenieurs kunnen nu bijvoorbeeld poriën ontwerpen die gating bij nanoporie-detectie grotendeels vermijden, terwijl voor andere toepassingen, zoals bio-geïnspireerd computergebruik, gating kan worden benut.

In feite hebben de onderzoekers een nanoporie gebouwd die de synaptische plasticiteit nabootst en ‘leert’ van spanningspulsen zoals een neurale synaps. Dergelijke systemen zouden op een dag de basis kunnen vormen van op ionen gebaseerde processors.