Embora os nanoporos biológicos tenham revolucionado a biotecnologia, seu comportamento pode ser complexo e, por vezes, imprevisível. Os pesquisadores ainda não compreendem completamente como os íons se movem através deles ou por que o fluxo de íons pode parar abruptamente.

Duas comportamentos particularmente intrigantes têm fascinado os cientistas: a retificação e a portaria. A retificação ocorre quando o fluxo de íons varia dependendo do “sinal” (positivo ou negativo) da voltagem aplicada. A portaria acontece quando o fluxo de íons diminui subitamente ou para completamente. Esses efeitos, especialmente a portaria, podem interferir na detecção baseada em nanoporos e permanecem 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, descobriram que tanto a retificação quanto a portaria surgem das próprias cargas elétricas do nanoporo e da interação dessas cargas com os íons que se movem através da estrutura.

Explorando Cargas Elétricas

A equipe investigou a aerolisina, um poro bacteriano comumente utilizado em pesquisas 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. Observando como os íons se moviam através desses poros modificados sob diversas condições, puderam isolar fatores elétricos e estruturais cruciais.

Para entender melhor como esses efeitos evoluem com o tempo, os cientistas aplicaram sinais de voltagem alternada nos nanoporos. Essa abordagem permitiu distinguir entre a retificação, que ocorre rapidamente, e a portaria, que se desenvolve mais lentamente. Em seguida, construíram modelos biofísicos para interpretar os dados e revelar os mecanismos envolvidos.

Como os Nanoporos Aprendem como o Cérebro

Os pesquisadores descobriram que a retificação acontece devido à forma como as cargas na superfície interna influenciam o movimento dos íons, facilitando o fluxo de íons em uma direção mais do que na outra, similar a uma válvula unidirecional. Por outro lado, a portaria ocorre quando um intenso fluxo de íons desestabiliza o equilíbrio de carga e compromete a estrutura do poro. Este colapso temporário impede a passagem de íons até que o sistema se restabeleça.

Ambos os efeitos dependem da localização exata e do tipo de carga elétrica dentro do nanoporo. Ao inverter o “sinal” da carga, a equipe conseguiu controlar quando e como a portaria ocorria. Ao aumentar a rigidez do poro, a portaria parou completamente, confirmando que a flexibilidade estrutural é fundamental para esse fenômeno.

Rumo a Nanoporos mais Inteligentes

Essas descobertas abrem novas possibilidades para a engenharia de nanoporos biológicos com propriedades personalizadas. Cientistas agora podem projetar poros que minimizam a portaria indesejada para aplicações em detecção com nanoporos ou usar a portaria intencionalmente para computação inspirada na biologia. Em uma demonstração, a equipe criou um nanoporo que imita a plasticidade sináptica, “aprendendo” com pulsações de voltagem de maneira semelhante a 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.