成孔蛋白廣泛存在於生物體中。在人類中，它們對於免疫防禦至關重要，而在細菌中，它們充當刺穿細胞膜的毒素。這些微小的孔允許離子和分子跨膜移動，控制細胞內的分子運輸。由於其精確性和控制性，科學家們將它們用作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，但它們的行為方式複雜且有時不規則。研究人員仍然不明白離子如何穿過它們，也不明白為什麼離子流有時會完全停止。
兩種特別令人驚訝的行為長期以來一直引起科學家們的興趣：糾正和門控。當離子流根據所施加電壓的“符號”（正或負——正或負）而變化時，就會發生整流。當離子流突然減少或停止時會發生門控。這些效應，尤其是門控效應，可能會破壞基於納米孔的傳感，並且很難解釋。
由洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的 Matteo Dal Peraro 和 Aleksandra Radenovic 領導的研究小組現已確定了這兩種效應背後的物理機制。通過結合實驗、模擬和理論建模，他們發現整流和門控都是由納米孔中的電荷以及這些電荷與穿過孔的離子相互作用的方式產生的。
電荷實驗
該團隊研究了氣溶素，一種常用於檢測研究的細菌孔。他們改變了內部的帶電氨基酸，創造了 26 個納米孔變體，每個變體都有不同的電荷模式。通過觀察離子在不同條件下如何穿過這些修飾的孔隙，他們能夠分離出主要的電氣和結構因素。
為了更好地了解這些效應如何隨著時間的推移而演變，科學家們向納米孔施加了交流電壓信號。這種方法使他們能夠區分快速發生的整流和發展較慢的門控。然後他們建立了生物物理模型來解釋他們的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，這種整流的發生是由於內部表面電荷影響離子的運動，導致離子比另一個方向更容易流向一個方向，就像單向閥一樣。相反，當重離子通量破壞電荷平衡並使孔結構不穩定時，就會發生門控。這種暫時的塌陷會阻止離子的通過，直到系統重置。
這兩種效應都取決於納米孔內的確切位置和電荷類型。通過反轉電荷的“信號”，研究小組可以控制提取發生的時間和方式。當他們增加孔隙的剛度時，澆注完全停止，證實結構靈活性是這種現象的關鍵。
邁向更智能的納米孔
這些發現為工程化具有定制特性的生物納米孔開闢了新的可能性。科學家現在可以設計孔，最大限度地減少納米孔傳感應用中不需要的門控，或者有意將門控用於仿生計算。在一次演示中，該團隊創建了一種模仿突觸可塑性的納米孔，可以像神經元突觸一樣從電壓脈衝中“學習”。這一發現表明，未來的離子處理器有一天可能會利用這種分子“學習”來推動新形式的計算。
