Ionista prosessointia biologisilla nanohuokosilla

EPFL:n tutkijat selvittävät, miten varaus ja rakenne säätelevät ionien virtausta biologisissa nanohuokosissa, mikä avaa tien uusille biosensoreille ja ionipohjaiselle laskennalle.

Huokosia muodostavia proteiineja esiintyy kaikkialla luonnossa. Ihmisillä niillä on keskeinen rooli immuunipuolustuksessa, kun taas bakteereilla ne toimivat usein myrkkyinä, jotka tekevät aukkoja solukalvoihin.

Nämä biologiset huokoset mahdollistavat ionien ja molekyylien kulkeutumisen kalvojen läpi. Niiden ainutlaatuinen kyky kontrolloida molekyylikuljetusta on tehnyt niistä myös tehokkaita nanohuokostyökaluja bioteknologiassa, esimerkiksi DNA-sekvensoinnissa ja molekyylitunnistuksessa.

Vaikka biologiset nanohuokoset ovat tärkeitä ja vaikuttavat bioteknologiaan, ne voivat myös käyttäytyä monimutkaisesti ja arvaamatta. Tutkijat eivät esimerkiksi vieläkään täysin ymmärrä, miten ionit liikkuvat huokosten läpi tai miksi ionien virtaus joskus pysähtyy.

Kaksi ilmiötä on askarruttanut tutkijoita erityisesti vuosia: tasasuuntaus, jossa ionivirtaus vaihtelee käytetyn jännitteen "etumerkin" positiivinen tai negatiivinen) mukaan ja portitus, jossa virtaus pienenee äkillisesti. Molemmat vaikutukset, erityisesti portitus, häiritsevät anturisovelluksia, mutta niitä on edelleen huonosti ymmärretty.

Nyt Matteo Dal Peraron ja Aleksandra Radenovicin johtama EPFL:n tutkimusryhmä on paljastanut näiden vaikutusten fyysisen perustan. Yhdistämällä kokeita, simulaatioita ja teoriaa tutkijat osoittavat, että sekä tasasuuntausta että portitusta säätelevät itse nanohuokosen sähkövaraukset ja se, miten nämä varaukset vuorovaikuttavat huokosen läpi virtaavien ionien kanssa.

Synaptista plastisuutta jäljitellen

Tutkimuksessa havaittiin, että tasasuuntaus tapahtuu siksi, koska huokosen sisäpuolta reunustavat sähkövaraukset vaikuttavat ionien liikkeeseen. Varauksen jakautuminen helpottaa ionien kulkua yhteen suuntaan kuin toiseen, kuten yksisuuntainen venttiili. Toisaalta porttausta tapahtuu, kun suuri ionivirtaus johtaa varauksen epätasapainoon, joka destabiloi huokosta rakenteellisesti, mikä aiheuttaa osan huokosesta tilapäisen romahtamisen ja ionien virtauksen estymisen.

Molemmat vaikutukset eivät riipu pelkästään varauksen määrästä, vaan myös siitä, missä se tarkalleen ottaen sijaitsee nanohuokosessa ja onko se positiivinen vai negatiivinen. Muuttamalla varauksen "merkkiä" tutkijat pystyivät säätämään, milloin huokoset sulkeutuvat ja millä ehdoilla.

Tutkimuksen tulokset tarjoavat keinon hienosäätää biologisia nanohuokosia tiettyjä tehtäviä varten. Esimerkiksi insinöörit voivat nyt suunnitella huokosia, jotka välttävät suurelta osin portinmuodostuksen nanohuokosten tunnistuksessa, kun taas muissa sovelluksissa, kuten bioinspiroidussa laskennassa, portinmuodostusta voidaan hyödyntää.

Itse asiassa tutkijat rakensivat nanohuokosen, joka jäljittelee synaptista plastisuutta ja "oppii" jännitepulsseista kuten neurosynapsi. Tällaiset järjestelmät voisivat jonain päivänä muodostaa ionipohjaisten prosessorien perustan.

Aiheesta aiemmin:

Transistoreita DNA-tunnistukseen

Ionikuljetuksen hallintaa sinisen energian tulevaisuudelle

Ionit pienenergiaa tuottamaan