Mikroskopijne kanały w błonach komórkowych od dawna fascynują biologów jako subtelne narzędzia, którymi żywe organizmy sterują przepływem informacji chemicznej. Dla inżynierów i fizyków coraz częściej stają się jednak czymś więcej niż ciekawostką. W ich oczach to gotowe, wypróbowane przez ewolucję elementy, które można wprząc w zupełnie nowe zadanie: przetwarzanie informacji na poziomie pojedynczych jonów. Badacze z Politechniki Federalnej w Lozannie pokazali, że ten pomysł przestaje być wyłącznie teoretyczną wizją.
Kluczowe w tym osiągnięciu jest połączenie dwóch światów, które zwykle opisujemy osobno, bo miękkiej, elastycznej materii żywej i sztywnej logiki krzemowych chipów. Wraz z tymi badaniami pytanie przestaje brzmieć
“czy biologia może współpracować z elektroniką”, a coraz bardziej “jak i w jakich zadaniach ta współpraca może dać przewagę nad klasycznymi układami scalonymi”.
Odkryto mechanizmy kontrolujące przepływ jonów. Klucz do przewidywalności nanoporów
Zespół pod kierunkiem Matteo Dal Peraro i Aleksandry Radenovic z EPFL postanowił rozwikłać zagadkę nieprzewidywalnego zachowania biologicznych nanoporów. Struktury te, występujące powszechnie w naturze (od mechanizmów obronnych człowieka po toksyny bakteryjne) odgrywają kluczową rolę w regulacji ruchu jonów i cząsteczek. Ich kaprysy, czyli nagłe zamykanie się czy preferowanie przepływu w jednym kierunku, stanowiły poważną przeszkodę dla ich technologicznego wykorzystania, bo na przykład w sekwencjonowaniu DNA.
Naukowcy wzięli na warsztat bakteryjną aerolizynę, często stosowaną w badaniach. Poprzez metodyczną modyfikację aminokwasów wyściełających wnętrze poru stworzyli 26 różnych wariantów, z czego każdy z nich odznaczał się unikalnym rozkładem ładunków elektrycznych. Obserwując, jak jony przemieszczają się przez te zmodyfikowane kanały pod wpływem zmiennego napięcia, udało im się oddzielić szybkie reakcje od wolniejszych zmian strukturalnych. Tego typu podejście pozwoliło im odkryć fundamentalne zasady rządzące tymi mikroskopijnymi bramami.
Dwa kluczowe zjawiska kluczem do sukcesu
Badania ujawniły, że zachowaniem nanoporów rządzą dwa odrębne procesy. Pierwszy, nazywany rektyfikacją, polega na tym, że wewnętrzny rozkład ładunków sprawia, iż jony płyną łatwiej w jednym kierunku niż w przeciwnym, działając jak swoisty zawór elektryczny. Drugi mechanizm, określany mianem gating, jest jeszcze bardziej złożony. Okazało się, że gdy silny przepływ jonów zaburzy równowagę ładunków, struktura poru chwilowo traci stabilność. Jego fragment tymczasowo się zapada, całkowicie blokując przepływ. Po ustabilizowaniu warunków “brama” ponownie się otwiera.
Zarówno rektyfikacja, jak i gating zależą od trzech czynników: ilości ładunków wewnątrz nanoporu, ich dokładnego położenia oraz ich znaku – dodatniego lub ujemnego. Samo zwiększenie sztywności struktury całkowicie eliminuje zjawisko gatingu, co dowodzi kluczowej roli elastyczności białka.
Od teorii do praktyki. Projektowanie nanoporów na zamówienie
Zrozumienie tych zasad otwiera drogę do praktycznego inżynierowania nanoporów. Możliwość precyzyjnego kontrolowania stopnia rektyfikacji poprzez celowe mutacje pozwala myśleć o tworzeniu zaawansowanych nanofluidycznych układów adaptacyjnych. Dla zastosowań czujnikowych, gdzie kluczowa jest stabilność, można projektować pory odporne na gating. Z drugiej strony, świadome wykorzystanie tego mechanizmu może być fundamentem dla obliczeń inspirowanych biologią.
Czytaj też: Czarnobyl znów niepokoi naukowców. Tajemniczy wzrost aktywności neutronowej w zniszczonym reaktorze
Zespół przetestował swoje ustalenia również na innych białkach, takich jak alfa-hemolizyna czy poryna A, potwierdzając uniwersalność odkrytego mechanizmu. W ramach tej pracy wykluczył wpływ innych czynników, takich jak rozmiar czy hydrofilowość aminokwasów, bo finalnie kluczowy okazał się właśnie rozkład ładunków. Wiedza o tym upraszcza przyszłe prace projektowe, skupiając je na jednym głównym parametrze.
Nanopory naśladujące plastyczność synaptyczną. W stronę biokomputingu
Najbardziej spektakularnym pokazem możliwości było stworzenie nanopora naśladującego plastyczność synapsy, czyli jej zdolność do uczenia się na podstawie doświadczeń. Używając zmodyfikowanej aerolizyny, naukowcy zademonstrowali, że struktura może zmieniać swoją odpowiedź na impulsy napięciowe w zależności od ich historii. Takie zachowanie jest analogiczne do procesów zachodzących w mózgu.
Czytaj też: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Taki adaptacyjny element funkcjonowałby podobnie do memrystora, czyli elementu elektronicznego z pamięcią, ale zamiast elektronów wykorzystywałby jony. Chociaż to wizja na daleką przyszłość, to sama koncepcja jest intrygująca. Biologiczne “tranzystory” mogłyby bowiem działać obok krzemowych, oferując zupełnie inne, potencjalnie bardziej energooszczędne, ścieżki przetwarzania informacji. Dlatego też nowe badanie, którego wyniki opublikowano 11 listopada 2025 roku w Nature Nanotechnology, stanowi solidny fundament teoretyczny i eksperymentalny. Praca zatytułowana Lumen charge governs gated ion transport in β-barrel nanopores pokazuje, że połączenie biologii z inżynierią na poziomie molekularnym jest coraz lepiej rozumiane.
Jaka jest przyszłość białek w roli tranzystorów?
Droga do pełnoprawnych, wieloelementowych systemów obliczeniowych opartych na jonach jest jeszcze bardzo długa i usiana wyzwaniami. Trudno dziś stwierdzić, czy kiedykolwiek zastąpią one tradycyjne układy. Niemniej odkrycie szwajcarskiego zespołu nie jest jedynie ciekawostką laboratoryjną. To konkretny krok w kierunku projektowania hybrydowych interfejsów, gdzie żywa materia może w kontrolowany sposób współdziałać z elektroniką, otwierając drzwi do technologii, o których na razie tylko czytamy w artykułach naukowych.