Наноотверстия с функцией электрического затвора открывают путь к ионным компьютерам

Изображение клеточной мембраны (рис) с нанопорами (брокколи), выпускающими ионы (семена). Автор: Александра Раденович/EPFL

Белки, образующие поры, широко распространены в природе. У человека они играют ключевую роль в иммунной защите, а у бактерий часто действуют как токсины, пробивающие отверстия в клеточных мембранах. Эти биологические поры позволяют ионам и молекулам проходить через мембраны. Их уникальная способность контролировать молекулярный транспорт также сделала их мощным инструментом в биотехнологиях, например, в секвенировании ДНК и молекулярном зондировании.

Несмотря на свою важность и влияние на биотехнологии, биологические нанопоры могут демонстрировать сложное, непредсказуемое поведение; например, ученые до сих пор не до конца понимают, как ионы движутся через них или почему поток ионов иногда прекращается.

Два явления особенно озадачивали исследователей на протяжении многих лет: ректификация, когда поток ионов различается в зависимости от «знака» (плюс или минус — положительный или отрицательный) приложенного напряжения, и затворный эффект (гейтинг), когда поток внезапно уменьшается. Оба эффекта, особенно гейтинг, мешают применению в сенсорах, но оставались малоизученными.

Теперь команда под руководством Маттео Даль Пераро и Александры Раденович в EPFL раскрыла физическую основу этих эффектов. Комбинируя эксперименты, моделирование и теорию, исследователи показали, что и ректификация, и гейтинг контролируются электрическими зарядами самой нанопоры и тем, как эти заряды взаимодействуют с ионами, протекающими через пору.

Работа была опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Исследователи сосредоточились на аэролизине, бактериальной поре, часто используемой в сенсорике. Систематически мутируя заряженные аминокислоты вдоль внутренней поверхности поры, они создали 26 вариантов нанопор с различными распределениями зарядов. Затем они измерили, как ионы протекают через эти мутантные поры в различных условиях.

Ученые применяли переменные напряжения, чтобы исследовать систему на разных временных масштабах. Это позволило им отделить ректификацию от гейтинга, который в основном происходит на более длительных временных масштабах. Наконец, ученые использовали биофизические модели для интерпретации данных и выявления основных механизмов.

Имитаторы синаптической пластичности

Исследование показало, что ректификация происходит из-за того, как электрические заряды, выстилающие внутреннюю часть поры, влияют на движение ионов. Распределение зарядов облегчает прохождение ионов в одном направлении по сравнению с другим, подобно обратному клапану. Гейтинг, с другой стороны, происходит, когда большой поток ионов приводит к нарушению баланса зарядов, которое структурно дестабилизирует пору, вызывая временное схлопывание части поры и блокировку потока ионов.

Оба эффекта зависят не только от величины заряда, но и от его точной локализации в нанопоре и от того, является он положительным или отрицательным. Изменяя «знак» заряда, ученые могли настраивать, когда и при каких условиях пора закрывается. Они также обнаружили, что если структуру поры сделать более жесткой, гейтинг полностью прекращается, что подтверждает ключевую роль гибкости поры.

Результаты исследования предлагают способ тонкой настройки биологических нанопор для конкретных задач. Например, инженеры теперь могут проектировать поры, которые в значительной степени избегают гейтинга в нанопоровом зондировании, в то время как для других применений, таких как биоинспирированные вычисления, гейтинг можно использовать целенаправленно.

Фактически, исследователи создали нанопору, которая имитирует синаптическую пластичность, «обучаясь» от импульсов напряжения подобно нейронному синапсу. Такие системы однажды могут лечь в основу процессоров на основе ионов.

Больше информации: Саймон Финн Майер и др. Lumen charge governs gated ion transport in β-barrel nanopores, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02052-6.

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Ионные компьютеры, основанные на подобных принципах, потенциально могут быть более энергоэффективными по сравнению с традиционной электроникой, поскольку имитируют естественные процессы передачи сигналов в живых организмах. Исследования в области мемристоров и ионных транзисторов активно ведутся в рамках разработки нейроморфных вычислений.