Des chercheurs de l'EPFL ont expliqué les comportements imprévisibles des nanopores biologiques, les attribuant à des charges électriques internes. En ingéniant des variantes du pore bactérien aérolysine, ils ont démontré comment ces pores peuvent imiter un apprentissage semblable à celui du cerveau. Ces découvertes suggèrent un potentiel pour des applications en informatique bio-inspirée.
Les nanopores biologiques, de minuscules trous moléculaires essentiels dans la nature et la biotechnologie, ont longtemps intrigué les scientifiques par leurs comportements complexes. Les protéines formant des pores jouent des rôles clés dans la défense immunitaire humaine et dans les toxines bactériennes qui percent les membranes cellulaires, permettant un contrôle précis du mouvement des ions et des molécules. Adaptés à des usages comme le séquençage d'ADN et la détection moléculaire, ces pores exhibent parfois une rectification — où le flux d'ions varie avec la polarité de la tension — et un gating, où le flux s'arrête brusquement.
Une équipe dirigée par Matteo Dal Peraro et Aleksandra Radenovic à l'EPFL a étudié ces phénomènes en utilisant le pore bactérien aérolysine. Ils ont ingénié 26 variantes en modifiant les acides aminés chargés à l'intérieur du pore, observant le déplacement des ions sous diverses conditions. En appliquant des signaux de tension alternés, ils ont distingué la rectification, qui se produit rapidement, du gating qui se développe plus lentement. Des modèles bio-physiques ont aidé à révéler les mécanismes.
La rectification provient des charges le long de la surface interne du pore qui influencent le mouvement des ions, agissant comme une valve unidirectionnelle favorisant une direction. Le gating, cependant, résulte d'un flux intense d'ions perturbant l'équilibre des charges, déstabilisant la structure flexible du pore et causant un blocage temporaire jusqu'au rétablissement. Inverser les signes des charges a permis de contrôler le timing du gating, tandis qu'augmenter la rigidité du pore l'a éliminé complètement, soulignant l'importance de la flexibilité structurelle.
Ces insights permettent la conception personnalisée de nanopores pour réduire le gating indésirable dans la détection ou l'exploiter pour l'informatique. Dans une expérience clé, l'équipe a créé un nanopore mimant la plasticité synaptique, "apprenant" de pulses de tension similaires aux synapses neuronales. Cela pointe vers de futurs processeurs basés sur les ions exploitant l'apprentissage moléculaire. L'étude paraît dans Nature Nanotechnology (2025 ; DOI : 10.1038/s41565-025-02052-6).