Portas do tamanho de um átomo podem transformar o sequenciamento de DNA e a computação neuromórfica
Os canais iônicos são pequenas aberturas que controlam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Essas vias estreitas são essenciais para muitas funções biológicas. Em alguns casos, as suas secções mais estreitas medem apenas alguns angstroms de diâmetro, aproximadamente a largura de átomos individuais. Reproduzir estruturas tão pequenas com precisão e consistência continua sendo um dos desafios mais difíceis da nanotecnologia.
Pesquisadores da Universidade de Osaka deram agora um grande passo em direção a esse objetivo. Escrevendo em Comunicações da Naturezaa equipe descreve como eles usaram um reator eletroquímico em miniatura para produzir poros que se aproximam de dimensões subnanométricas.
Imitando os portais elétricos da natureza
Dentro das células, os íons viajam através de canais de proteínas especializados incorporados na membrana celular. Esse movimento iônico gera sinais elétricos, incluindo os impulsos nervosos responsáveis pela contração muscular. Os canais são construídos a partir de proteínas e contêm regiões extremamente estreitas na escala angstrom. Quando expostas a sinais externos, essas proteínas mudam de forma, o que permite que os canais abram ou fechem.
Inspirando-se neste sistema natural, os pesquisadores projetaram uma versão em estado sólido capaz de formar poros quase tão pequenos quanto canais iônicos biológicos. Eles começaram criando um nanoporo em uma membrana de nitreto de silício. Esse nanoporo agiu então como uma pequena câmara de reação para construir poros ainda menores dentro dele.
Quando a equipe aplicou uma voltagem negativa através da membrana, desencadeou uma reação química dentro do nanoporo. Esta reação produziu um precipitado sólido que se expandiu gradualmente até bloquear completamente a abertura. A reversão da voltagem fez com que o precipitado se dissolvesse, restaurando os caminhos condutores através do poro.
“Conseguimos repetir esse processo de abertura e fechamento centenas de vezes durante várias horas”, explica o autor principal Makusu Tsutsui. “Isso demonstra que o esquema de reação é robusto e controlável.”
Picos elétricos revelam poros subnanômetros
Para entender melhor o que estava acontecendo dentro da membrana, os pesquisadores monitoraram a corrente iônica que passava por ela. Eles observaram picos acentuados na corrente, semelhantes aos padrões observados em canais iônicos biológicos. Análises posteriores indicaram que esses sinais eram mais consistentes com a formação de numerosos poros subnanômetros dentro do nanoporo original.
A equipe também descobriu que poderia ajustar o comportamento dos poros. Ao ajustar a composição química e o pH das soluções reagentes, eles alteraram o tamanho e as propriedades das aberturas ultrapequenas.
“Conseguimos variar o comportamento e o tamanho efetivo dos poros ultrapequenos, alterando a composição e o pH das soluções reagentes”, relata Tomoji Kawai, autor sênior. “Isso permitiu o transporte seletivo de íons de diferentes tamanhos efetivos através da membrana, ajustando os tamanhos de poros ultrapequenos.”
Aplicações em Sequenciamento de DNA e Computação Neuromórfica
Esta abordagem quimicamente orientada torna possível gerar múltiplos poros ultrapequenos dentro de um único nanoporo. A técnica oferece uma nova maneira de estudar como os íons e fluidos se movem através de espaços extremamente confinados em escalas comparáveis aos sistemas vivos.
Além da investigação fundamental, a tecnologia poderia apoiar campos emergentes como a detecção de moléculas únicas (por exemplo, utilização de nanoporos para sequenciar ADN), computação neuromórfica (utilização de picos eléctricos para imitar o comportamento de neurónios biológicos) e nanorreactores (criação de condições de reacção únicas através do confinamento).
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