EPFLの研究者らが、生物学的ナノポアの予測不能な挙動を内部電荷に帰因して説明した。細菌性ポアであるaero lysinの変異体を設計することで、これらのポアが脳のような学習を模倣できることを示した。この発見は、バイオインスパイアードコンピューティングの応用可能性を示唆している。
生物学的ナノポアは、自然界やバイオテクノロジーで不可欠な微小な分子孔で、その複雑な挙動が長年科学者を困惑させてきた。ポア形成タンパク質は、人間の免疫防御や細胞膜を貫通する細菌毒素で重要な役割を果たし、イオンや分子の移動を精密に制御する。DNAシーケンシングや分子センシングなどの用途に適応されたこれらのポアは、時には整流作用—電圧の極性に応じてイオン流が変化する—やゲーティング—流が突然停止する—を示す。
EPFLのMatteo Dal PeraroとAleksandra Radenovicが率いるチームは、細菌性ポアであるaero lysinを使用してこれらの現象を調査した。彼らはポア内部の荷電アミノ酸を改変して26の変異体を設計し、さまざまな条件下でイオンの移動を観察した。交流電圧信号を適用することで、急速に起こる整流作用とゆっくり発展するゲーティングを区別した。生物物理学的モデルがメカニズムを明らかにするのに役立った。
整流作用は、ポアの内表面に沿った荷電がイオンの移動に影響を与え、一方向弁のように一方向を優位にするものだ。一方、ゲーティングは激しいイオン流が荷電バランスを乱し、ポアの柔軟な構造を不安定化させて一時的な閉塞を引き起こすもので、リセットまで続く。荷電の符号を反転させることでゲーティングのタイミングを制御でき、ポアの剛性を高めると完全に除去され、構造的柔軟性の重要性を強調した。
これらの洞察により、センシングでの不要なゲーティングを減らすためのカスタムナノポア設計や、コンピューティングでの活用が可能になる。主要な実験では、チームがシナプス可塑性を模倣したナノポアを作成し、神経シナプスに似た電圧パルスから「学習」した。これは、分子学習を活用した将来のイオンベースプロセッサを指し示す。研究はNature Nanotechnology (2025; DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6)に掲載されている。