Ein Team der EPFL hat herausgefunden, wie Ladung und Struktur den Ionenfluss in biologischen Nanoporen steuern. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für neue Biosensoren und das ionenbasierte Computing.
Porogene Proteine kommen überall in der Natur vor. Beim Menschen spielen sie eine Schlüsselrolle bei der Immunabwehr, während sie bei Bakterien oft als Toxine fungieren, die die Zellmembranen durchlöchern. Diese biologischen Poren ermöglichen es Ionen und Molekülen, die Membranen zu durchdringen. Ihre einzigartige Fähigkeit, den molekularen Transport zu steuern, hat sie auch zu leistungsfähigen nanoporösen Werkzeugen in der Biotechnologie gemacht, z. B. bei der DNA-Sequenzierung und dem molekularen Nachweis.
Trotz ihrer Bedeutung und ihres Einflusses auf die Biotechnologie verstehen Wissenschaftler immer noch nicht, wie sich Ionen durch sie hindurchbewegen oder warum der Ionenfluss manchmal ins Stocken gerät.
Zwei Phänomene haben die Gemeinschaft seit Jahren besonders fasziniert: die Rektifikation, bei der sich der Ionenfluss je nach "Vorzeichen" (positiv oder negativ) der angelegten Spannung unterscheidet, und das Gating, bei dem der Fluss abrupt abnimmt. Beide Effekte, insbesondere das Gating, beeinträchtigen die Detektionsanwendungen, sind aber nach wie vor nur unzureichend verstanden.
Ein Team unter der Leitung der EPFL-Professoren Matteo Dal Peraro und Aleksandra Radenovic hat nun die physikalischen Grundlagen für diese Effekte entdeckt. Durch die Kombination von Experimenten, Simulationen und Theorie zeigt es, dass sowohl das Rektifizieren als auch das Gating von den elektrischen Ladungen der Nanopore selbst gesteuert werden und wie diese Ladungen mit den Ionen interagieren, die durch die Pore fliessen.
Synaptische Plastizität nachahmen
Die Studie ergab, dass das Gating aufgrund der Art und Weise stattfindet, wie die elektrischen Ladungen, die das Innere der Pore auskleiden, die Ionenbewegung beeinflussen. Die Ladungsverteilung sorgt dafür, dass die Ionen leichter in die eine als in die andere Richtung passieren können, wie ein Einwegventil. Gating hingegen tritt auf, wenn ein grosser Ionenfluss zu einem Ladungsungleichgewicht führt, das die Pore strukturell destabilisiert, wodurch ein Teil der Pore vorübergehend kollabiert und der Ionenfluss blockiert wird.
Beide Effekte hängen nicht nur von der Menge der Ladung ab, sondern auch davon, wo genau sie in der Nanopore lokalisiert ist und ob sie positiv oder negativ ist. Indem sie das "Vorzeichen" der Ladung änderten, konnten die Wissenschaftler einstellen, wann und unter welchen Bedingungen sich die Poren öffnen. Sie stellten ausserdem fest, dass, wenn die Porenstruktur steifer gemacht wurde, sie das Gating vollständig stoppte, was bestätigt, dass die Flexibilität der Poren eine Schlüsselrolle spielt.
Die Ergebnisse der Studie bieten eine Möglichkeit, biologische Nanoporen für bestimmte Aufgaben fein abzustimmen. Beispielsweise können Ingenieure nun Poren entwerfen, die das Gating bei der Nanoporenerkennung weitgehend vermeiden, während bei anderen Anwendungen wie dem bio-inspirierten Computing das Gating ausgenutzt werden kann. Tatsächlich haben sie eine Nanopore geschaffen, die die synaptische Plastizität nachahmt und Spannungsimpulse wie eine neuronale Synapse "lernt". Solche Systeme könnten eines Tages die Grundlage für Ionenprozessoren bilden.
Wie haben sie das gemacht?Die Forscherinnen und Forscher beschäftigten sich mit Arolysin, einer bakteriellen Pore, die häufig in der Sensorik eingesetzt wird. Durch systematische Mutationen der geladenen Aminosäuren entlang der inneren Oberfläche der Pore schufen sie 26 Varianten der Nanopore mit unterschiedlichen Ladungsmustern. Anschliessend massen sie, wie die Ionen unter verschiedenen Bedingungen durch diese mutierten Poren zirkulierten.
Die Wissenschaftler legten Wechselspannungssignale an, um das System auf verschiedenen Zeitskalen zu untersuchen. Dadurch konnten sie das schnelle Schleifen vom Gating trennen, das hauptsächlich auf längeren Zeitskalen stattfindet. Schliesslich griffen die Wissenschaftler auf biophysikalische Modelle zurück, um die Daten zu interpretieren und die zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren.
ReferenzenSimon 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. Lumen charge governs gated ion transport in --barrel nanopores. Nature Nanotechnology 11. November 2025. DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6
