As proteínas formadoras de poros estão amplamente presentes nos organismos. Nos humanos, são essenciais para a defesa imunológica, enquanto nas bactérias, muitas vezes atuam como toxinas que perfuram as membranas celulares. Esses minúsculos poros permitem que íons e moléculas passem através da membrana, controlando o transporte molecular dentro da célula. Devido à sua precisão e controle, os cientistas os utilizam como ferramentas de nanoporos em biotecnologias, como sequenciamento de DNA e detecção molecular.
Embora os nanoporos biológicos tenham revolucionado a biotecnologia, eles se comportam de maneira complexa e às vezes instável. Os pesquisadores ainda não têm uma compreensão completa de como os íons se movem através deles ou por que o fluxo de íons ocasionalmente para completamente.
Dois comportamentos particularmente intrigantes há muito intrigam os cientistas: correção e controle. A retificação ocorre quando o fluxo de íons muda dependendo do “sinal” (positivo ou negativo – positivo ou negativo) da tensão aplicada. O gating ocorre quando o fluxo de íons diminui ou para repentinamente. Esses efeitos, especialmente os efeitos de ativação, podem atrapalhar a detecção baseada em nanoporos e permanecem difíceis de explicar.
Uma equipe de pesquisa liderada por Matteo Dal Peraro e Aleksandra Radenovic da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) identificou agora o mecanismo físico por trás de ambos os efeitos. Através de uma combinação de experimentos, simulações e modelagem teórica, eles descobriram que tanto a retificação quanto o gating resultam das cargas no próprio nanoporo e da maneira como essas cargas interagem com os íons que passam pelo poro.
Experimento de cobrança
A equipe estudou aerolisinas, um tipo de poro bacteriano comumente usado em pesquisas de detecção. Eles modificaram os aminoácidos carregados dentro deles, criando 26 variantes de nanoporos, cada uma com um padrão de carga diferente. Ao observar como os íons se movem através desses poros modificados sob diferentes condições, eles conseguiram isolar os principais fatores elétricos e estruturais.
Para entender melhor como esses efeitos evoluem ao longo do tempo, os cientistas aplicaram sinais de voltagem alternada aos nanoporos. Esta abordagem permitiu-lhes distinguir entre a retificação de ocorrência rápida e a ativação de desenvolvimento mais lento. Eles então construíram modelos biofísicos para explicar seus dados e revelar os mecanismos de funcionamento.
Como os nanoporos aprendem como um cérebro
Os pesquisadores descobriram que a retificação ocorre devido 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, semelhante a uma válvula unidirecional. Em vez disso, o bloqueio ocorre quando o fluxo de íons pesados perturba o equilíbrio de carga e desestabiliza a estrutura dos poros. Este colapso temporário bloqueia a passagem de íons até que o sistema seja reiniciado.
Ambos os efeitos dependem da localização exata e do tipo de carga dentro do nanoporo. Ao inverter o “sinal” da carga, a equipe poderia controlar quando e como o bloqueio ocorre. Quando aumentaram a rigidez dos poros, o vazamento parou completamente, confirmando que a flexibilidade estrutural é a chave para este fenômeno.
Rumo a nanoporos mais inteligentes
Essas descobertas abrem novas possibilidades para a engenharia de nanoporos biológicos com propriedades personalizadas. Os cientistas agora podem projetar poros para minimizar gating desnecessários em aplicações de detecção de nanoporos ou usar gating intencionalmente para computação biomimética. Numa demonstração, a equipe criou um nanoporo que imita a plasticidade sináptica e pode “aprender” com pulsos de tensão como uma sinapse. A descoberta sugere que os futuros processadores iônicos poderão um dia explorar esse “aprendizado” molecular para potencializar novas formas de computação.
