As proteínas formadoras de poros são amplamente distribuídas entre os organismos vivos. Nos humanos, elas são essenciais para a defesa imunológica, enquanto em bactérias, frequentemente atuam como toxinas que perfuram membranas celulares. Esses poros microscópicos permitem que íons e moléculas passem através das membranas, controlando o tráfego molecular dentro das células. Devido à sua precisão e controle, os cientistas adaptaram esses poros como ferramentas de nanopores para a biotecnologia, como na sequenciação de DNA e na detecção molecular.
Embora os nanopores biológicos tenham revolucionado a biotecnologia, eles podem se comportar de maneiras complexas e, às vezes, erráticas. Os pesquisadores ainda não têm uma compreensão completa de como os íons viajam através deles ou por que o fluxo de íons ocasionalmente para totalmente.
Dois comportamentos particularmente intrigantes há muito intrigam os cientistas: retificação e ativação. A retificação ocorre quando o fluxo de íons muda dependendo do “sinal” (positivo ou negativo) da voltagem aplicada. A ativação acontece quando o fluxo de íons diminui repentinamente ou para. Esses efeitos, especialmente a ativação, podem interromper a detecção baseada em nanopores e têm permanecido difíceis de explicar.
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, eles descobriram que tanto a retificação quanto a ativação surgem das cargas elétricas do nanopore e da forma 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 frequentemente utilizado em pesquisas de detecção. Eles modificaram os aminoácidos carregados que revestem seu interior para criar 26 variantes de nanopore, cada uma com um padrão de carga distinto. Ao observar como os íons viajavam através desses poros modificados sob diferentes condições, conseguiram isolar fatores elétricos e estruturais chave.
Para entender melhor como esses efeitos evoluem ao longo do tempo, os cientistas aplicaram sinais de voltagem alternada aos nanopores. Essa abordagem permitiu que eles distinguíssem a retificação, que ocorre rapidamente, da ativação, que se desenvolve mais lentamente. Em seguida, construíram modelos biofísicos para interpretar seus dados e revelar os mecanismos em ação.
Como os Nanopores Aprendem como o Cérebro
Os pesquisadores descobriram que a retificação acontece devido à forma como as cargas ao longo da superfície interna influenciam o movimento dos íons, facilitando o fluxo em uma direção mais do que em outra, semelhante a uma válvula unidirecional. A ativação, em contraste, ocorre quando um fluxo intenso de íons interrompe o equilíbrio de carga e desestabiliza a estrutura do poro. Esse colapso temporário bloqueia a passagem de íons até que o sistema se reinicie.
Ambos os efeitos dependem da disposição exata e do tipo de carga elétrica dentro do nanopore. Ao inverter o “sinal” da carga, a equipe conseguiu controlar quando e como a ativação ocorria. Quando aumentaram a rigidez do poro, a ativação parou completamente, confirmando que a flexibilidade estrutural é a chave para esse fenômeno.
Rumo a Nanopores Mais Inteligentes
Essas descobertas abrem novas possibilidades para a engenharia de nanopores biológicos com propriedades personalizadas. Os cientistas agora podem projetar poros que minimizam a ativação indesejada para aplicações em detecção com nanopores, ou utilizar deliberadamente a ativação para computação bio-inspirada. Em uma demonstração, a equipe criou um nanopore que imita a plasticidade sináptica, “aprendendo” com pulsos de voltagem assim como uma sinapse neural. Essa descoberta sugere que futuros processadores baseados em íons poderão um dia aproveitar esse “aprendizado” molecular para impulsionar novas formas de computação.
