I nanopori biologici stanno rivoluzionando il DNA sequencing, il molecular sensing e il bio‑inspired computing: nuove scoperte mostrano che rettificazione ionica e gating elettrico dipendono dalla distribuzione delle cariche interne, aprendo la strada a nanopori più stabili, precisi e programmabili per applicazioni avanzate in biotecnologia
Nanopori che si comportano come interruttori elettrici: la scoperta che cambia la bioelettronica.
Le proteine formanti pori si trovano in tutta la natura. Negli esseri umani svolgono ruoli fondamentali nella difesa immunitaria, mentre nei batteri agiscono spesso come tossine che perforano le membrane cellulari. Questi pori biologici permettono il passaggio di ioni e molecole attraverso le membrane. La loro capacità unica di controllare il trasporto molecolare li ha resi anche potenti strumenti di nanopori in biotecnologia, ad esempio nel sequenziamento del DNA e nel rilevamento molecolare.
Nonostante la loro importanza e il loro impatto sulla biotecnologia, i nanopori biologici possono mostrare comportamenti complessi e imprevedibili; ad esempio, gli scienziati non comprendono ancora pienamente come gli ioni si muovano al loro interno o perché il flusso ionico talvolta si interrompa.
Due fenomeni hanno in particolare lasciato perplessi i ricercatori per anni: la rettificazione, in cui il flusso ionico varia a seconda del “segno” (più o meno positivo o negativo) della tensione applicata, e il gating, in cui il flusso si riduce bruscamente. Entrambi gli effetti, soprattutto il gating, interferiscono con le applicazioni di rilevamento, ma sono rimasti poco compresi.
Ora, un team guidato dal dottor Matteo Dal Peraro (1) e dalla dottoressa Aleksandra Radenovic dell’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ha scoperto la base fisica di questi effetti. Combinando esperimenti, simulazioni e teoria, i ricercatori mostrano che sia la rettificazione sia il gating sono controllati dalle cariche elettriche del nanoporo stesso e da come tali cariche interagiscono con gli ioni che fluiscono attraverso il poro.
Mimetiche della plasticità sinaptica
Lo studio, pubblicato su Nature Nanotechnology (2), ha scoperto che la rettificazione avviene a causa del modo in cui le cariche elettriche che rivestono l’interno del poro influenzano il movimento degli ioni. La distribuzione delle cariche rende più facile per gli ioni passare in una direzione rispetto all’altra, come una valvola unidirezionale. Il gating, invece, si verifica quando un grande flusso di ioni provoca uno squilibrio di carica che destabilizza strutturalmente il poro, causando il collasso temporaneo di una sua parte e bloccando il flusso ionico.
Entrambi gli effetti dipendono non solo dalla quantità di carica, ma anche da dove essa è esattamente localizzata nel nanoporo e dal fatto che sia positiva o negativa. Modificando il “segno” della carica, gli scienziati hanno potuto regolare quando il poro va in gating e in quali condizioni. Hanno anche scoperto che, se la struttura del poro viene resa più rigida, il gating scompare del tutto, confermando che la flessibilità del poro svolge un ruolo chiave.
I risultati dello studio offrono un modo per ottimizzare i nanopori biologici per compiti specifici. Ad esempio, ora gli ingegneri possono progettare pori che evitano in gran parte il gating nelle applicazioni di nanopore sensing, mentre per altre applicazioni, come il computing bio-ispirato, il gating può essere sfruttato. Infatti, i ricercatori hanno costruito un nanoporo che imita la plasticità sinaptica, “apprendendo” dagli impulsi di tensione come una sinapsi neurale. Sistemi di questo tipo potrebbero un giorno costituire la base di processori basati sugli ioni.
La tecnica
Il gruppo di ricercatori ha studiato una proteina chiamata aerolysina, che forma minuscoli pori usati spesso per rilevare molecole. Hanno cambiato in modo mirato alcuni amminoacidi all’interno di questi pori, creando 26 versioni diverse, ognuna con una disposizione particolare di cariche elettriche. Poi hanno osservato come gli ioni - piccole particelle cariche - attraversavano le varie versioni del poro in condizioni diverse.
Con l’obiettivo di osservare meglio come funziona il sistema, alcuni ricercatori hanno usato deboli stimoli elettrici che cambiano verso ogni tanto. Così facendo, hanno potuto analizzare le risposte in momenti diversi della sequenza. Da qui è emersa una distinzione netta tra due fenomeni collegati ma distinti. Uno riguarda la tendenza degli ioni a muoversi più facilmente in un senso piuttosto che nell'altro mentre l’altro invece coinvolge il meccanismo con cui il canale regola i propri stati aperti o chiusi durante il passare dei millisecondi. Per chiarire le cause sottostanti, si sono serviti di simulazioni basate su leggi fisiche precise. I risultati ottenuti corrispondono ai dati raccolti nei test reali.
Riferimenti:
(2) Lumen charge governs gated ion transport in β-barrel nanopores
Descrizione foto: I ricercatori dell'EPFL scoprono come la carica e la struttura controllano il flusso degli ioni nei nanopori biologici, aprendo la strada a nuovi biosensori e al calcolo basato sugli ioni. - Credit: EPFL.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nanopores act like electrical gates