Gözenek oluşturucu proteinler canlı organizmalarda yaygındır. İnsanlarda bağışıklık savunması için gereklidirler, bakterilerde ise genellikle hücre zarlarını delen toksin görevi görürler. Bu mikroskobik gözenekler, iyonların ve moleküllerin zardan geçmesine izin vererek hücre içindeki moleküler trafiği düzenler. Hassasiyetleri ve kontrol edilebilirlikleri nedeniyle, bilim adamları bunları DNA dizilimi ve moleküler algılama gibi biyoteknoloji için nano-gözenek araçları olarak uyarladılar.
Biyolojik nanogözenekler biyoteknolojide devrim yaratmış olsa da karmaşık ve bazen düzensiz şekillerde davranabilirler. Araştırmacılar hala iyonların bunların içinden nasıl geçtiğini veya iyon akışının neden bazen tamamen durduğunu tam olarak anlayamıyorlar.
Özellikle kafa karıştırıcı olan iki davranış, bilim adamlarının uzun süredir ilgisini çekmektedir: düzeltme ve aktivasyon. Doğrultma, uygulanan voltajın “işaretine” (artı veya eksi, pozitif veya negatif) bağlı olarak iyon akışı değiştiğinde meydana gelir. Aktivasyon, iyon akışı aniden azaldığında veya durduğunda meydana gelir. Bu etkiler, özellikle aktivasyon, nanogözenek bazlı algılamayı değiştirebilir ve açıklanması zor olabilir.
EPFL’den Matteo Dal Peraro ve Aleksandra Radenovic liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu iki etkinin ardındaki fiziksel mekanizmaları belirledi. Deneyler, simülasyonlar ve teorik modellerin bir kombinasyonunu kullanarak hem düzeltmenin hem de aktivasyonun nanogözeneğin kendi elektrik yüklerinden kaynaklandığını ve bu yüklerin gözenek boyunca hareket eden iyonlarla etkileşime girdiğini keşfettiler.
Elektrik yüküyle test edin
Ekip, sensör araştırmalarında yaygın olarak kullanılan bakteriyel bir gözenek olan arolisin üzerinde çalıştı. Her biri farklı bir yük düzenine sahip 26 çeşit nanogözenek oluşturmak için iç kısımlarını kaplayan yüklü amino asitleri değiştirdiler. İyonların farklı koşullar altında bu değiştirilmiş gözeneklerden nasıl geçtiğini gözlemleyerek temel elektriksel ve yapısal faktörleri izole edebildiler.
Bu etkilerin zaman içinde nasıl geliştiğini daha iyi anlamak için bilim insanları nanogözeneklere alternatif voltaj sinyalleri uyguladılar. Bu yöntem, hızlı bir şekilde gerçekleşen düzeltmeyi, daha yavaş gelişen geçitlemeden ayırt etmelerine olanak sağladı. Daha sonra verilerini açıklamak ve işleyen mekanizmaları ortaya çıkarmak için biyofiziksel modeller geliştirdiler.
Nanogözenekler beyinler gibi nasıl öğreniyor?
Araştırmacılar düzeltmenin, iç yüzeydeki yüklerin iyonların hareketini nasıl etkilediğinden kaynaklandığını, iyonların tek yönlü bir valf gibi bir yönde diğerine göre akmasını kolaylaştırdığını buldu. Bunun aksine, güçlü bir iyon akışı yük dengesini bozduğunda ve gözenek yapısını dengesizleştirdiğinde aktivasyon meydana gelir. Bu geçici çökme, sistem yeniden başlatılana kadar iyon yolunu bloke eder.
Her iki etki de nanogözenek içindeki elektrik yükünün tam konumuna ve türüne bağlıdır. Ekip, hücumun “işaretini” tersine çevirerek aktivasyonun ne zaman ve nasıl gerçekleşeceğini kontrol edebilir. Gözenek sertliğini arttırdıklarında geçit tamamen durur ve bu da yapısal esnekliğin bu olgunun anahtarı olduğunu doğrular.
Akıllı nanogözeneklere doğru
Bu sonuçlar, özel özelliklere sahip biyolojik nanogözeneklerin tasarlanması için yeni olanaklar açıyor. Bilim insanları artık nanogözenek algılama uygulamaları için istenmeyen aktivasyonu en aza indiren gözenekler tasarlayabiliyor veya aktivasyonu biyoilhamlı hesaplama için kasıtlı olarak kullanabiliyor. Bir gösteride ekip, voltaj darbelerinden “öğrenen” nöronal sinapslara benzer şekilde, sinaptik plastisiteyi taklit eden bir nanogözenek yarattı. Keşif, gelecekteki iyon tabanlı işlemcilerin bir gün bu moleküler “öğrenmeyi” yeni bilgi işlem biçimlerini güçlendirmek için kullanabileceğini gösteriyor.