细菌微孔中发现类似大脑的学习能力

尽管生物纳米孔革新了生物技术，但其行为复杂且有时不稳定。研究人员一直未能完全理解离子如何通过纳米孔，以及为何离子流有时会完全停止。

长期以来，有两种特别令人困惑的行为引起科学家的兴趣：整流和门控。整流是指离子流会根据所加电压的“正负号”（正或负）而变化；门控则是离子流突然减少或停止。这些效应，尤其是门控，会干扰基于纳米孔的传感技术，且一直难以解释。

由马特奥·达尔·佩拉罗和亚历山德拉·拉登诺维奇领导的瑞士洛桑联邦理工学院研究团队，现已查明这两种效应背后的物理机制。通过结合实验、模拟和理论建模，他们发现整流和门控均源于纳米孔自身的电荷以及这些电荷与通过孔的离子之间的相互作用。

实验：研究电荷作用

团队研究了气单胞菌溶素，这是一种常用于传感研究的细菌孔道。他们修改了孔道内部排列的带电氨基酸，创建了26种纳米孔变体，每种都有独特的电荷模式。通过观察离子在不同条件下如何通过这些修饰后的孔道，他们能够分离出关键的电学和结构因素。

为了更好地理解这些效应如何随时间演变，科学家们向纳米孔施加交变电压信号。这种方法能够区分快速发生的整流和发展较慢的门控。然后他们建立了生物物理模型来解释数据并揭示其作用机制。

纳米孔如何像大脑一样学习

研究人员发现，整流的发生是因为内表面的电荷影响离子运动，使离子更容易朝一个方向流动，类似单向阀。相比之下，门控发生在强离子流破坏电荷平衡并使孔道结构不稳定时。这种暂时的结构坍缩会阻断离子通过，直到系统重置。

这两种效应都取决于纳米孔内电荷的确切位置和类型。通过反转电荷的“正负号”，团队可以控制门控发生的时间和方式。当他们增加孔道的刚性时，门控完全停止，证实结构灵活性是这一现象的关键。

迈向更智能的纳米孔

这些发现为设计具有定制特性的生物纳米孔开辟了新可能。科学家现在可以设计出减少不必要门控的孔道，用于纳米孔传感应用，或者有意利用门控进行仿生计算。在一项演示中，团队创建了一个模拟突触可塑性的纳米孔，它能像神经突触一样从电压脉冲中“学习”。这一发现表明，未来基于离子的处理器有朝一日可能利用这种分子“学习”能力，为新型计算提供动力。