Las proteínas formadoras de poros están muy extendidas en los organismos vivos. En los humanos, son esenciales para la defensa inmune, mientras que en las bacterias suelen actuar como toxinas que perforan las membranas celulares. Estos poros microscópicos permiten que iones y moléculas atraviesen la membrana, regulando el tráfico molecular dentro de la célula. Debido a su precisión y controlabilidad, los científicos los han adaptado como herramientas de nanoporos para la biotecnología, como en la secuenciación de ADN y la detección molecular.
Aunque los nanoporos biológicos han revolucionado la biotecnología, pueden comportarse de maneras complejas y a veces erráticas. Los investigadores aún no comprenden completamente cómo viajan los iones a través de ellos o por qué a veces el flujo de iones se detiene por completo.
Dos comportamientos particularmente confusos han intrigado a los científicos durante mucho tiempo: la rectificación y la activación. La rectificación ocurre cuando el flujo de iones cambia dependiendo del “signo” (más o menos, positivo o negativo) del voltaje aplicado. La activación ocurre cuando el flujo de iones disminuye o se detiene repentinamente. Estos efectos, especialmente la activación, pueden alterar la detección basada en nanoporos y siguen siendo difíciles de dilucidar.
Un equipo de investigación dirigido por Matteo Dal Peraro y Aleksandra Radenovic de la EPFL ha identificado los mecanismos físicos detrás de estos dos efectos. Utilizando una combinación de experimentos, simulaciones y modelos teóricos, descubrieron que tanto la rectificación como la activación surgen de las propias cargas eléctricas del nanoporo, y que estas cargas interactúan con los iones que se mueven a través del poro.
Prueba con carga eléctrica
El equipo estudió la arolisina, un poro bacteriano comúnmente utilizado en la investigación de sensores. Modificaron los aminoácidos cargados que recubren su interior para crear 26 variantes de nanoporos, cada una con un patrón de carga distinto. Al observar cómo los iones viajan a través de estos poros alterados en diferentes condiciones, pudieron aislar los factores eléctricos y estructurales clave.
Para comprender mejor cómo se desarrollan estos efectos con el tiempo, los científicos aplicaron señales de voltaje alterno a los nanoporos. Este método les permitió distinguir la rectificación, que ocurre rápidamente, de la compuerta, que se desarrolla más lentamente. Luego desarrollaron modelos biofísicos para explicar sus datos y revelar los mecanismos en funcionamiento.
Cómo los nanoporos aprenden como cerebros
Los investigadores descubrieron que la corrección se debe a cómo las cargas a lo largo de la superficie interna afectan el movimiento de los iones, haciendo que sea más fácil que los iones fluyan en una dirección que en la otra, como una válvula unidireccional. Por el contrario, la activación ocurre cuando una fuerte entrada de iones altera el equilibrio de carga y desestabiliza la estructura de los poros. Este colapso temporal bloquea la vía de los iones hasta que se reinicia el sistema.
Ambos efectos dependen de la ubicación exacta y del tipo de carga eléctrica dentro del nanoporo. Al invertir el “signo” de la carga, el equipo puede controlar cuándo y cómo se produce la activación. Cuando aumentan la rigidez del poro, la compuerta se detiene por completo, lo que confirma que la flexibilidad estructural es la clave de este fenómeno.
Hacia nanoporos inteligentes
Estos resultados abren nuevas posibilidades para diseñar nanoporos biológicos con propiedades personalizadas. Los científicos ahora pueden diseñar poros que minimicen la activación no deseada para aplicaciones en detección de nanoporos, o utilizar deliberadamente la activación para computación bioinspirada. En una demostración, el equipo creó un nanoporo que imita la plasticidad sináptica, muy parecida a las sinapsis neuronales que “aprenden” de los pulsos de voltaje. El descubrimiento sugiere que los futuros procesadores basados en iones algún día podrían utilizar ese “aprendizaje” molecular para impulsar nuevas formas de informática.
