As proteínas formadoras de poros são comuns nos organismos vivos. Nos humanos, são essenciais para a defesa imunitária, enquanto nas bactérias actuam frequentemente como toxinas que perfuram as membranas celulares. Esses poros microscópicos permitem que íons e moléculas passem através da membrana, regulando o tráfego molecular dentro da célula. Devido à sua precisão e controlabilidade, os cientistas os adaptaram como ferramentas de nanoporos para a biotecnologia, como no sequenciamento de DNA e na detecção molecular.
Embora os nanoporos biológicos tenham revolucionado a biotecnologia, eles podem se comportar de maneira complexa e às vezes errática. Os pesquisadores ainda não têm uma compreensão completa de como os íons viajam através deles ou por que o fluxo de íons às vezes para completamente.
Dois comportamentos particularmente confusos há muito intrigam os cientistas: retificação e bloqueio. A retificação ocorre quando o fluxo de íons muda dependendo do “sinal” (mais ou menos – positivo ou negativo) da tensão aplicada. O gating ocorre quando o fluxo de íons diminui ou para repentinamente. Esses efeitos, especialmente o gating, podem atrapalhar a detecção baseada em nanoporos e permanecem difíceis de elucidar.
Uma equipe de pesquisa liderada por Matteo Dal Peraro e Aleksandra Radenovic da EPFL identificou agora os mecanismos físicos por trás desses dois efeitos. Usando uma combinação de experimentos, simulações e modelagem teórica, eles descobriram que tanto a retificação quanto o gating surgem das próprias cargas elétricas do nanoporo, e que essas cargas interagem com os íons que se movem através do poro.
Teste com carga elétrica
A equipe estudou a arolisina, um poro bacteriano comumente usado em pesquisas de detecção. Eles modificaram os aminoácidos carregados que revestem seu interior para criar 26 variantes de nanoporos, cada uma com um padrão de carga distinto. Ao observar como os íons viajam através desses poros alterados sob diferentes condições, eles conseguiram isolar os principais fatores elétricos e estruturais.
Para entender melhor como esses efeitos se desenvolvem ao longo do tempo, os cientistas aplicaram sinais de voltagem alternada aos nanoporos. Este método permitiu distinguir a retificação, que ocorre rapidamente, do gating, que se desenvolve mais lentamente. Eles então desenvolveram modelos biofísicos para explicar seus dados e revelar os mecanismos em ação.
Como os nanoporos aprendem como cérebros
Os pesquisadores descobriram que a correção se deve à forma como as cargas ao longo da superfície interna afetam o movimento dos íons, tornando mais fácil o fluxo dos íons em uma direção do que na outra, como uma válvula unidirecional. Em contraste, o gate ocorre quando um influxo de íons pesados perturba o equilíbrio de carga e desestabiliza a estrutura dos poros. Este colapso temporário bloqueia o caminho dos íons até que o sistema seja reiniciado.
Ambos os efeitos dependem da localização exata e do tipo de carga elétrica dentro do nanoporo. Ao inverter o “sinal” da carga, a equipe pode controlar quando e como ocorre o disparo. Quando aumentam a rigidez do poro, o gating para completamente, confirmando que a flexibilidade estrutural é a chave para este fenômeno.
Rumo a nanoporos inteligentes
Esses resultados abrem novas possibilidades para a engenharia de nanoporos biológicos com propriedades personalizadas. Os cientistas agora podem projetar poros que minimizem a ativação indesejada para aplicações em detecção de nanoporos ou usar deliberadamente a ativação para computação de inspiração biológica. Numa demonstração, a equipe criou um nanoporo que imita a plasticidade sináptica, muito parecida com as sinapses neurais que “aprendem” com pulsos de voltagem. A descoberta sugere que os futuros processadores baseados em íons poderão um dia usar esse “aprendizado” molecular para potencializar novas formas de computação.
