瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們最近揭示了生物奈米孔的神祕行為，這些微小的分子孔在自然界和生物技術中都扮演著重要角色。研究團隊透過對奈米孔進行工程化設計，發現奈米孔的內部電荷及其與通過的離子相互作用，導致了兩種關鍵效應：整流（rectification）和閘控（gating）。這個發現不僅解釋了奈米孔的複雜行為，還暗示了未來在生物啟發計算和基於離子的處理器中的應用潛力。
奈米孔形成蛋白質在生物體中廣泛存在，對於人類來說，它們在免疫防禦中至關重要，而在細菌中則常做為穿透細胞膜的毒素。這些微觀孔道允許離子和分子通過膜，控制細胞內的分子流動。儘管生物奈米孔在生物技術中引發革命，但它們的行為有時卻顯得複雜且不可預測，科學家們對於離子如何通過這些孔道的理解仍不夠全面。
研究團隊的領導者Matteo Dal Peraro和亞歷山德拉·拉德諾維奇（Aleksandra Radenovic）利用實驗、模擬和理論建模，確定了整流和閘控的物理機制。他們創建了26種不同電荷模式的奈米孔變體，並觀察在不同條件下離子如何通過這些改造的孔道。透過施加交變電壓信號，科學家們能區分快速發生的整流和發展較慢的閘控，並建立生物物理模型來解釋數據。
研究顯示，整流是由於內部電荷影響離子運動，使得離子更容易朝一個方向流動，類似於單向閥。而閘控則發生在大量離子流動擾亂了電荷平衡，暫時阻礙了離子的通過。這些效應的發生依賴於奈米孔內電荷的具體位置和類型，研究團隊透過改變電荷的「符號」來控制閘控的發生。
這些發現為設計具有自定義特性的生物奈米孔開闢新可能性。科學家們現在可以設計出最小化不必要閘控的孔道，或故意利用閘控進行生物啟發計算。在一個示範中，團隊創建了一個模仿突觸可塑性的奈米孔，能夠像神經突觸一樣從電壓脈衝中「學習」。這個發現暗示，未來的基於離子的處理器可能會利用這種分子「學習」來推動新型計算方式。
- Brain-like learning found in bacterial nanopores
- Nanopores act like electrical gates
- Nanopores Function as Electrical Gates in Breakthrough Discovery
（首圖來源：EPFL）
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