Peneliti di EPFL telah menjelaskan perilaku tak terduga dari nanopori biologis, yang dikaitkan dengan muatan listrik internal. Dengan merekayasa varian dari pori bakteri aerolysin, mereka menunjukkan bagaimana pori-pori ini dapat meniru pembelajaran mirip otak. Temuan ini menunjukkan potensi untuk aplikasi komputasi bio-inspirasi.
Nanopori biologis, lubang molekul kecil yang esensial dalam alam dan bioteknologi, telah lama membingungkan para ilmuwan dengan perilaku kompleksnya. Protein pembentuk pori memainkan peran kunci dalam pertahanan kekebalan manusia dan toksin bakteri yang menusuk membran sel, memungkinkan pengendalian presisi atas pergerakan ion dan molekul. Disesuaikan untuk penggunaan seperti sekuensing DNA dan sensing molekuler, pori-pori ini terkadang menunjukkan rektifikasi—di mana aliran ion bervariasi dengan polaritas tegangan—dan gating, di mana aliran tiba-tiba berhenti.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Matteo Dal Peraro dan Aleksandra Radenovic di EPFL menyelidiki fenomena ini menggunakan pori bakteri aerolysin. Mereka merekayasa 26 varian dengan memodifikasi asam amino bermuatan di dalam pori, mengamati perjalanan ion di bawah berbagai kondisi. Dengan menerapkan sinyal tegangan bolak-balik, mereka membedakan rektifikasi, yang terjadi dengan cepat, dari gating yang berkembang lebih lambat. Model biofisik membantu mengungkap mekanismenya.
Rektifikasi timbul dari muatan di sepanjang permukaan dalam pori yang memengaruhi pergerakan ion, bertindak seperti katup searah yang mendukung satu arah. Gating, bagaimanapun, dihasilkan dari aliran ion yang intens mengganggu keseimbangan muatan, mendestabilisasi struktur fleksibel pori dan menyebabkan penyumbatan sementara hingga direset. Membalik tanda muatan memungkinkan pengendalian waktu gating, sementara meningkatkan kekakuan pori menghilangkannya sepenuhnya, yang menekankan pentingnya fleksibilitas struktural.
Wawasan ini memungkinkan desain nanopori khusus untuk mengurangi gating yang tidak diinginkan dalam sensing atau memanfaatkannya untuk komputasi. Dalam eksperimen kunci, tim menciptakan nanopori yang meniru plastisitas sinaptik, "belajar" dari pulsa tegangan mirip dengan sinapsis saraf. Ini menunjukkan prosesor berbasis ion masa depan yang memanfaatkan pembelajaran molekuler. Studi ini muncul di Nature Nanotechnology (2025; DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6).