شرح باحثون في EPFL السلوكيات غير المتوقعة للنانوبورات البيولوجية، منسوبين إياها إلى الشحنات الكهربائية الداخلية. من خلال هندسة variants للبور البكتيري aerolysin، أظهروا كيف يمكن لهذه البورات محاكاة التعلم الشبيه بالدماغ. تشير النتائج إلى إمكانيات لتطبيقات الحوسبة المستوحاة من الأحياء.
النانوبورات البيولوجية، الثقوب الجزيئية الصغيرة الأساسية في الطبيعة والتكنولوجيا الحيوية، قد حيرت العلماء لفترة طويلة بسلوكياتها المعقدة. تلعب البروتينات المشكلة للبور دورًا رئيسيًا في الدفاع المناعي البشري والسموم البكتيرية التي تخترق أغشية الخلايا، مما يسمح بالسيطرة الدقيقة على حركة الأيونات والجزيئات. تم تكييفها لاستخدامات مثل تسلسل الحمض النووي والاستشعار الجزيئي، وأحيانًا تظهر هذه البورات تصحيحًا —حيث يختلف تدفق الأيونات مع قطبية الجهد— وإغلاقًا، حيث يتوقف التدفق فجأة.
قاد فريق بقيادة Matteo Dal Peraro و Aleksandra Radenovic في EPFL هذه الظواهر باستخدام البور البكتيري aerolysin. هندسوا 26 variant بتعديل الأحماض الأمينية المشحونة داخل البور، مراقبين سفر الأيونات تحت ظروف متنوعة. بتطبيق إشارات جهد متناوبة، ميزوا التصحيح الذي يحدث بسرعة من الإغلاق الذي يتطور ببطء أكبر. ساعدت النماذج البيوفيزيائية في الكشف عن الآليات.
ينشأ التصحيح من الشحنات على طول سطح البور الداخلي التي تؤثر على حركة الأيونات، مما يعمل كصمام أحادي الاتجاه يفضل اتجاهًا واحدًا. أما الإغلاق، فينتج عن تدفق أيونات شديد يعطل توازن الشحنات، مما يزعزع استقرار الهيكل المرن للبور ويسبب انسدادًا مؤقتًا حتى إعادة الضبط. عكس علامات الشحنات سمح بالسيطرة على توقيت الإغلاق، بينما تعزيز صلابة البور أزالها تمامًا، مما يؤكد أهمية المرونة الهيكلية.
تمكن هذه الرؤى من تصميم نانوبورات مخصصة لتقليل الإغلاق غير المرغوب فيه في الاستشعار أو استغلاله للحوسبة. في تجربة رئيسية، أنشأ الفريق نانوبور يحاكي البلاستيكية التشابكية، "يتعلم" من نبضات الجهد مشابهة للتشابكات العصبية. هذا يشير إلى معالجات مستقبلية قائمة على الأيونات تستغل التعلم الجزيئي. يظهر الدراسة في Nature Nanotechnology (2025؛ DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6).