Le proteine che formano i pori sono diffuse in tutti gli organismi viventi. Negli esseri umani sono essenziali per la difesa immunitaria, mentre nei batteri spesso agiscono come tossine che perforano le membrane cellulari. Questi pori microscopici consentono agli ioni e alle molecole di muoversi attraverso le membrane, controllando il traffico molecolare all’interno delle cellule. A causa della loro precisione e controllo, gli scienziati li hanno adattati come strumenti di nanopori per la biotecnologia, come nel sequenziamento del DNA e nel rilevamento molecolare.
Sebbene i nanopori biologici abbiano rivoluzionato la biotecnologia, possono comportarsi in modi complessi e talvolta irregolari. I ricercatori non hanno ancora una comprensione completa di come gli ioni viaggiano attraverso di essi o del motivo per cui il flusso ionico occasionalmente si interrompe del tutto.
Due comportamenti particolarmente sconcertanti incuriosiscono da tempo gli scienziati: la rettifica e il gating. La rettifica avviene quando il flusso di ioni cambia a seconda del “segno” (più o meno, positivo o negativo) della tensione applicata. Il gating avviene quando il flusso ionico diminuisce o si arresta improvvisamente. Questi effetti, in particolare il gating, possono interrompere il rilevamento basato sui nanopori e sono rimasti difficili da spiegare.
Un gruppo di ricerca guidato da Matteo Dal Peraro e Aleksandra Radenovic dell’EPFL ha ora identificato i meccanismi fisici dietro questi due effetti. Utilizzando una combinazione di esperimenti, simulazioni e modelli teorici, hanno scoperto che sia la rettifica che il gating derivano dalle cariche elettriche proprie del nanoporo e dal modo in cui tali cariche interagiscono con gli ioni che si muovono attraverso il poro.
Sperimentare con le cariche elettriche
Il team ha studiato l’aerolisina, un poro batterico comunemente utilizzato nella ricerca sui sensori. Hanno modificato gli amminoacidi carichi che rivestono il suo interno per creare 26 varianti di nanopori, ciascuna con un modello di carica distinto. Osservando il modo in cui gli ioni viaggiavano attraverso questi pori modificati in condizioni diverse, sono stati in grado di isolare fattori elettrici e strutturali chiave.
Per comprendere meglio come questi effetti si evolvono nel tempo, gli scienziati hanno applicato segnali di tensione alternata ai nanopori. Questo approccio ha permesso loro di distinguere la rettifica, che avviene rapidamente, dal gating, che si sviluppa più lentamente. Hanno poi costruito modelli biofisici per interpretare i dati e rivelare i meccanismi in atto.
Come i nanopori imparano come il cervello
I ricercatori hanno scoperto che la rettifica avviene a causa del modo in cui le cariche lungo la superficie interna influenzano il movimento degli ioni, rendendo più facile per gli ioni fluire in una direzione piuttosto che nell’altra, simile a una valvola unidirezionale. Il gating, al contrario, si verifica quando un flusso ionico pesante sconvolge l’equilibrio di carica e destabilizza la struttura del poro. Questo collasso temporaneo blocca il passaggio degli ioni fino al ripristino del sistema.
Entrambi gli effetti dipendono dall’esatto posizionamento e dal tipo di carica elettrica all’interno del nanoporo. Invertendo il “segno” della carica, il team ha potuto controllare quando e come si è verificato il gating. Quando hanno aumentato la rigidità dei pori, il gate si è fermato completamente, confermando che la flessibilità strutturale è la chiave di questo fenomeno.
Verso nanopori più intelligenti
Questi risultati aprono nuove possibilità per progettare nanopori biologici con proprietà personalizzate. Gli scienziati possono ora progettare pori che riducano al minimo il gate indesiderato per applicazioni di rilevamento dei nanopori o utilizzare deliberatamente il gate per l’elaborazione bioispirata. In una dimostrazione, il team ha creato un nanoporo che imita la plasticità sinaptica, “apprendendo” dagli impulsi di tensione in modo molto simile a una sinapsi neurale. Questa scoperta suggerisce che i futuri processori basati su ioni potrebbero un giorno sfruttare tale “apprendimento” molecolare per alimentare nuove forme di elaborazione.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com