Portas em escala atômica podem revolucionar a sequenciação de DNA e a computação neuromórfica
Os canais iônicos são pequenas aberturas que controlam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Esses caminhos estreitos são essenciais para muitas funções biológicas. Em alguns casos, suas seções mais estreitas medem apenas alguns angstrons de largura, aproximadamente a largura de átomos individuais. Reproduzir estruturas tão pequenas com precisão e consistência continua a ser…
Os canais iônicos são pequenas aberturas que controlam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Esses caminhos estreitos são essenciais para muitas funções biológicas. Em alguns casos, suas seções mais estreitas medem apenas alguns angstrons de largura, aproximadamente a largura de átomos individuais. Reproduzir estruturas tão pequenas com precisão e consistência continua a ser um dos maiores desafios em nanotecnologia.
Pesquisadores da Universidade de Osaka deram um passo importante em direção a esse objetivo. Escrevendo na Nature Communications, a equipe descreve como utilizou um reator eletroquímico em miniatura para produzir poros que se aproximam das dimensões subnanométricas.
Mimetizando os Portões Elétricos da Natureza
Dentro das células, os íons se movimentam através de canais proteicos especializados embutidos na membrana celular. Esse movimento iônico gera sinais elétricos, incluindo os impulsos nervosos responsáveis pela contração muscular. Os canais são construídos a partir de proteínas e contêm regiões extremamente estreitas na escala de angstrons. Quando expostas a sinais externos, essas proteínas mudam de forma, permitindo que os canais abram ou fechem.
Inspirando-se nesse sistema natural, os pesquisadores projetaram uma versão de estado sólido capaz de formar poros quase tão pequenos quanto os canais iônicos biológicos. Eles começaram criando um nanoporo em uma membrana de nitreto de silício. Esse nanoporo então atuou como uma pequena câmara de reação para construir poros ainda menores dentro dele.
Quando a equipe aplicou uma voltagem negativa através da membrana, isso acionou uma reação química dentro do nanoporo. Essa reação produziu um precipitado sólido que gradualmente se expandiu até bloquear completamente a abertura. Reverter a voltagem fez o precipitado se dissolver, restaurando as vias condutoras através do poro.
“Conseguimos repetir esse processo de abertura e fechamento centenas de vezes ao longo de várias horas”, explica o autor principal Makusu Tsutsui. “Isso demonstra que o esquema de reação é robusto e controlável.”
Picos Elétricos Revelam Poros Subnanométricos
Para entender melhor o que estava acontecendo dentro da membrana, os pesquisadores monitoraram a corrente iônica que passava por ela. Eles observaram picos agudos na corrente, semelhantes a padrões vistos em canais iônicos biológicos. Análises adicionais indicaram que esses sinais eram mais consistentes com a formação de numerosos poros subnanométricos dentro do nanoporo original.
A equipe também descobriu que poderia ajustar o comportamento dos poros. Alterando a composição química e o pH das soluções de reagentes, eles modificaram tanto o tamanho quanto as propriedades das aberturas ultrapequenas.
“Fomos capazes de variar o comportamento e o tamanho efetivo dos poros ultrapequenos, alterando a composição e o pH das soluções de reagentes”, relata Tomoji Kawai, autor sênior. “Isso possibilitou o transporte seletivo de íons de diferentes tamanhos efetivos através da membrana ao sintonizar os tamanhos dos poros ultrapequenos.”
Aplicações em Sequenciamento de DNA e Computação Neuromórfica
Essa abordagem quimicamente impulsionada torna possível gerar múltiplos poros ultrapequenos dentro de um único nanoporo. A técnica oferece uma nova maneira de estudar como íons e fluidos se movem por espaços extremamente confinados em escalas comparáveis aos sistemas vivos.
Além da pesquisa fundamental, a tecnologia pode apoiar campos emergentes, como sensoriamento de moléculas únicas (por exemplo, utilizando nanoporos para sequenciar DNA), computação neuromórfica (usando picos elétricos para imitar o comportamento de neurônios biológicos) e nanoreatores (criando condições de reação únicas por meio do confinamento).
