Aprendizagem Neuronal em Nanoporos Bacterianos
As proteínas formadoras de poros são amplamente difundidas entre os organismos vivos. Nos humanos, elas são essenciais para a defesa imunológica, enquanto nas bactérias frequentemente atuam como toxinas que perfuram membranas celulares. Esses poros microscópicos permitem que íons e moléculas se movam através das membranas, controlando o tráfego molecular dentro das células. Devido à sua…
As proteínas formadoras de poros são amplamente difundidas entre os organismos vivos. Nos humanos, elas são essenciais para a defesa imunológica, enquanto nas bactérias frequentemente atuam como toxinas que perfuram membranas celulares. Esses poros microscópicos permitem que íons e moléculas se movam através das membranas, controlando o tráfego molecular dentro das células. Devido à sua precisão e controle, os cientistas os adaptaram como ferramentas de nanoporo para biotecnologia, como na sequenciação de DNA e na detecção molecular.
Noções gerais sobre nanoporos biológicos
Embora os nanoporos biológicos tenham revolucionado a biotecnologia, eles podem se comportar de maneiras complexas e, às vezes, erráticas. Os pesquisadores ainda não compreendem completamente como os íons viajam através deles ou por que o fluxo iônico às vezes para completamente.
Comportamentos intrigantes: retificação e bloqueio
Dois comportamentos particularmente intrigantes têm fascinado os cientistas: a retificação e o bloqueio. A retificação ocorre quando o fluxo de íons muda dependendo da “polaridade” (positivo ou negativo) da voltagem aplicada. O bloqueio acontece quando o fluxo iônico diminui ou para de repente. Esses efeitos, especialmente o bloqueio, podem interromper a detecção baseada em nanoporos e permaneceram difíceis de explicar.
Descobertas de uma equipe de pesquisa
Uma equipe de pesquisa liderada por Matteo Dal Peraro e Aleksandra Radenovic na EPFL agora identificou os mecanismos físicos por trás desses dois efeitos. Usando uma combinação de experimentos, simulações e modelagem teórica, descobriram que tanto a retificação quanto o bloqueio surgem das cargas elétricas do nanoporo e da maneira como essas cargas interagem com os íons que se movem através do poro.
Experimentando com cargas elétricas
A equipe estudou a aerolisina, um poro bacteriano comumente utilizado em pesquisa de detecção. Eles modificaram os aminoácidos carregados que revestem seu interior para criar 26 variantes de nanoporo, cada uma com um padrão de carga distinto. Ao observar como os íons viajavam através desses poros modificados em diferentes condições, conseguiram isolar fatores elétricos e estruturais chave.
Para melhor compreender como esses efeitos evoluem ao longo do tempo, os cientistas aplicaram sinais de voltagem alternada nos nanoporos. Essa abordagem permitiu distinguir a retificação, que ocorre rapidamente, do bloqueio, que se desenvolve mais lentamente. Em seguida, construíram modelos biofísicos para interpretar seus dados e revelar os mecanismos em ação.
Como os nanoporos aprendem como o cérebro
Os pesquisadores descobriram que a retificação ocorre devido à influência das cargas ao longo da superfície interna sobre o movimento dos íons, facilitando o fluxo de íons em uma direção em vez da outra, semelhante a uma válvula unidirecional. O bloqueio, em contraste, ocorre quando um fluxo intenso de íons perturba o equilíbrio de carga e desestabiliza a estrutura do poro. Este colapso temporário bloqueia a passagem de íons até que o sistema se reinicie.
Ambos os efeitos dependem da exata localização e tipo de carga elétrica dentro do nanoporo. Ao inverter a “polaridade” da carga, a equipe pôde controlar quando e como o bloqueio ocorria. Quando aumentaram a rigidez do poro, o bloqueio parou completamente, confirmando que a flexibilidade estrutural é fundamental para esse fenômeno.
Caminhos para nanoporos mais inteligentes
Essas descobertas abrem novas possibilidades para a engenharia de nanoporos biológicos com propriedades personalizadas. Os cientistas agora podem projetar poros que minimizem o bloqueio indesejado para aplicações em detecção por nanoporos, ou deliberadamente usar o bloqueio para computação inspirada na biologia. Em uma demonstração, a equipe criou um nanoporo que imita a plasticidade sináptica, “aprendendo” com pulsos de voltagem, assim como uma sinapse neural. Essa descoberta sugere que futuros processadores baseados em íons poderiam um dia aproveitar esse “aprendizado” molecular para impulsionar novas formas de computação.
