Un team dell’EPFL ha scoperto come la carica e la struttura controllino il flusso di ioni nei nanopori biologici. Questa scoperta apre la strada a nuovi biosensori e all’informatica basata sugli ioni.
Le proteine che formano pori si trovano ovunque in natura. Nell’uomo svolgono un ruolo chiave nella difesa immunitaria, mentre nei batteri agiscono spesso come tossine che perforano le membrane cellulari. Questi pori biologici permettono a ioni e molecole di attraversare le membrane. La loro capacità unica di controllare il trasporto molecolare li ha resi anche potenti strumenti nanoporosi nelle biotecnologie, ad esempio nel sequenziamento del DNA e nel rilevamento molecolare.
Nonostante la loro importanza e il loro impatto sulla biotecnologia, gli scienziati non hanno ancora capito come gli ioni si muovano attraverso di essi o perché il flusso di ioni a volte si interrompa.
Due fenomeni in particolare hanno incuriosito la comunità per anni: la rettificazione, in cui il flusso di ioni varia a seconda del "segno" (più o meno - positivo o negativo) della tensione applicata, e il gating, in cui il flusso diminuisce improvvisamente. Questi due effetti, in particolare il gating, interferiscono con le applicazioni di rilevamento, ma rimangono poco conosciuti.
Un team guidato dai professori dell’EPFL Matteo Dal Peraro e Aleksandra Radenovic ha appena scoperto le basi fisiche di questi effetti. Combinando esperimenti, simulazioni e teoria, hanno dimostrato che la rettificazione e il gating sono entrambi controllati dalle cariche elettriche del nanoporo stesso e da come queste cariche interagiscono con gli ioni che attraversano il poro.
Imitare la plasticità sinaptica
Lo studio ha rivelato che il gating avviene grazie al modo in cui le cariche elettriche che rivestono l’interno del poro influenzano il movimento ionico. La distribuzione delle cariche permette agli ioni di passare più facilmente in una direzione piuttosto che nell’altra, come una valvola a senso unico. Il gating, invece, si verifica quando un grande flusso di ioni porta a uno squilibrio di carica che destabilizza strutturalmente il poro, facendo collassare temporaneamente una parte del poro e bloccando il flusso di ioni.
Entrambi gli effetti dipendono non solo dalla quantità di carica, ma anche dalla sua esatta posizione nel nanoporo e dal fatto che sia positiva o negativa. Cambiando il "segno" della carica, gli scienziati sono stati in grado di regolare quando i pori si aprono e in quali condizioni. Hanno anche scoperto che se la struttura del poro viene resa più rigida, il gating cessa del tutto, confermando che la flessibilità del poro gioca un ruolo chiave.
I risultati dello studio offrono un modo per adattare finemente i nanopori biologici a compiti specifici. Per esempio, gli ingegneri possono ora progettare pori che evitino in larga misura il gating nel rilevamento dei nanopori, mentre per altre applicazioni, come l’informatica bioispirata, il gating può essere sfruttato. Infatti, hanno creato un nanoporo che imita la plasticità sinaptica e "impara" dagli impulsi di tensione come una sinapsi neuronale. Questi sistemi potrebbero un giorno costituire la base dei processori ionici.
Come ci sono riusciti?I ricercatori hanno preso in considerazione l’aerolisina, un poro batterico spesso utilizzato per il rilevamento. Mutando sistematicamente gli aminoacidi carichi lungo la superficie interna del poro, hanno creato 26 varianti di nanopori con diversi modelli di carica. Hanno quindi misurato il flusso di ioni attraverso questi pori mutanti in varie condizioni.
Gli scienziati hanno applicato segnali di tensione alternati per sondare il sistema su diverse scale temporali. Ciò ha permesso di separare la rettificazione rapida dal gating, che si verifica principalmente su scale temporali più lunghe. Infine, gli scienziati hanno utilizzato modelli biofisici per interpretare i dati e identificare i meccanismi sottostanti.
RiferimentiSimon Finn Mayer, Marianna Fanouria Mitsioni, Paul Robin, Lukas van den Heuvel, Nathan Ronceray, Maria Jose Marcaida, Luciano A. Abriata, Lucien F. Krapp, Jana S. Anton, Sarah Soussou, Justin Jeanneret-Grosjean, Alessandro Fulciniti, Alexia Möller, Sarah Vacle, Lely Feletti, Henry Brinkerhoff, Andrew H. Laszlo, Jens H. Gundlach, Theo Emmerich, Matteo Dal Peraro, Aleksandra Radenovic. La carica del lume regola il trasporto gated di ioni nei nanopori a barile. Nature Nanotechnology 11 novembre 2025. DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6
