成孔蛋白在生物體內普遍存在。對於人類來說，它們對於免疫防禦至關重要。而在細菌中，它們通常充當穿透細胞膜的毒素。這些微小的孔允許離子和分子穿過細胞膜。並控制細胞內分子的運動 由於精確性和控制力，科學家們已將這些技術應用於生物技術的納米孔工具，例如 DNA 測序和分子傳感。
儘管生物納米孔徹底改變了生物技術，但它們可以以復雜且有時不可預測的方式表現。研究人員仍然對離子如何穿過它們缺乏完整的了解。或者為什麼離子的流動有時會停止？
科學家長期以來感興趣的兩種有問題的行為是插值和排除。當離子流根據選通電壓的“符號”（正或負-正或負）發生變化時，會發生校正。當離子流突然減少或停止時，會發生校正。這些影響尤其是，門控會干擾納米孔傳感。而且也很難解釋。
由洛桑聯邦理工學院的 Matteo Dal Peraro 和 Aleksandra Radenovic 領導的研究小組已經確定了這兩種效應背後的物理機制。通過實驗、模擬和理論建模的結合。他們發現整流和門控都是由於納米孔的電荷而發生的。以及這些電荷如何與穿過孔隙的離子相互作用。
電荷實驗
該團隊研究了氣溶素。這是檢測研究中經常使用的細菌孔。他們修改了內部的帶電氨基酸，形成了 26 個納米孔，每個納米孔都有不同的充電模式。通過觀察離子在不同條件下如何穿過這些修飾的孔，從而可以分離重要的電學和結構因素。
為了更好地了解這些效應如何隨著時間的推移而發展，科學家們隨後向納米孔施加了交流電壓信號。這種方法使他們能夠區分發展迅速的修正和發展較慢的門控。然後，他們創建了一個生物物理模型來解釋數據並揭示工作機制。
納米孔如何像大腦一樣學習？
研究人員發現，這種校正的發生是因為內表面的電荷影響離子的運動。這使得離子比另一方向更容易沿一個方向流動。與單向閥類似。相反，當重離子的流動擾亂電荷平衡並使孔隙結構不穩定時，就會發生門控。這種暫時的塌陷會阻止離子通過，直到系統重置。
這兩種效應都取決於納米孔內電荷的確切位置和類型。通過反轉“標記”計費，團隊可以控制實現目標的時間和方式。當他們強化毛囊時糾察隊完全停止了。這證實了結構靈活性是這一現象的關鍵。
邁向更智能的納米孔
這一發現為創建具有定制特性的工程生物納米孔提供了新的機會。科學家現在能夠設計孔，最大限度地減少納米孔傳感應用中不需要的門控。或者使用有意門控進行仿生計算。在一項演示中，該團隊通過從神經突觸等電壓脈衝中“學習”來創建模擬突觸可塑性的納米孔。這些發現表明，未來的離子處理器有一天將能夠控制這種分子“學習”，以驅動新的處理形式。
