اكتشف العلماء كيف تتعلم المسام النانوية الصغيرة مثل الدماغ

وجد العلماء أن الشحنات الكهربائية للمسام النانوية تتحكم في كيفية تدفق الأيونات ومتى تغلق المسام مؤقتًا. قد يسمح هذا الاكتشاف للمهندسين بتصميم ثقوب نانوية “تتعلم” مثل نقاط الاشتباك العصبي للجيل القادم من الحوسبة.

تظهر البروتينات المكونة للمسام في العديد من أشكال الحياة. في البشر، فإنها تساعد على حماية الجسم من خلال دعم الدفاعات المناعية. وفي البكتيريا، تعمل غالبًا كسموم تخلق فتحات في أغشية الخلايا. تنظم هذه المسام الطبيعية حركة الأيونات والجزيئات، كما أن تحكمها الدقيق في النقل الجزيئي جعلها ذات قيمة في مجال التكنولوجيا الحيوية، بما في ذلك الحمض النووي التسلسل والاستشعار الجزيئي.

سلوك غير متوقع في تدفق الأيونات

وحتى مع أهميتها في مجال البحث والتكنولوجيا، فإن المسام النانوية البيولوجية يمكن أن تتصرف بطرق يصعب التنبؤ بها. ولا يزال العلماء يفتقرون إلى تفسير كامل لكيفية انتقال الأيونات عبر هذه المسام أو لماذا يمكن أن تتوقف حركة الأيونات فجأة.

كان من الصعب بشكل خاص شرح زوج من الألغاز القديمة: التصحيح والبوابة. يصف التصحيح التغير في تدفق الأيونات اعتمادًا على “العلامة” (زائد أو ناقص – إيجابية أو سلبية) للجهد المطبق. يحدث التبويض عندما ينخفض ​​تدفق الأيونات فجأة. يمكن لهذه التأثيرات، وخاصة البوابات، أن تعطل تطبيقات الاستشعار وظلت مفهومة جزئيًا فقط.

تحديد القوى وراء التصحيح والبوابة

قام الآن فريق بحث بقيادة ماتيو دال بيرارو وألكساندرا رادينوفيتش في EPFL بتوضيح الأصول الجسدية لهذه السلوكيات. ومن خلال مجموعة من التجارب والنمذجة الحاسوبية والعمل النظري، كشفوا أن كلا من التصحيح والبوابة ينشأان من الشحنات الكهربائية داخل الثقب النانوي وكيف تتفاعل هذه الشحنات مع الأيونات المتحركة.

اختبار أنماط الشحن في المسام النانوية المهندسة

قامت المجموعة بالتحقيق في الإيروليسين، وهو مسام بكتيري يستخدم بشكل متكرر في دراسات الاستشعار. عن طريق تغيير المشحونة الأحماض الأمينية التي تبطن الجزء الداخلي للمسام، قاموا بإنشاء 26 نسخة من المسام النانوية، كل منها بترتيب مختلف للشحنات. ثم قام الباحثون بقياس كيفية تحرك الأيونات عبر كل مسام معدل في ظل ظروف تجريبية مختلفة.

لاستكشاف كيفية ظهور التصحيح والبوابة مع مرور الوقت، طبق الفريق إشارات الجهد المتناوب. وقد ساعدهم هذا النهج على التمييز بين عمليات التصحيح السريعة وسلوك البوابات الأبطأ. ثم استخدموا النماذج الفيزيائية الحيوية لتفسير النتائج وتحديد الآليات الأساسية.

رؤى في تدفق الأيونات والاستقرار الهيكلي

وأظهرت الدراسة أن التصحيح يحدث لأن توزيع الشحنة الداخلية للمسام يؤثر على مدى سهولة تحرك الأيونات، مما يسمح لها بالسفر بسهولة أكبر في اتجاه واحد أكثر من الاتجاه الآخر. ينتج البوابات عن عملية مختلفة: عندما يؤدي التدفق القوي للأيونات إلى خلل في توازن الشحنات، يصبح المسام غير مستقر من الناحية الهيكلية. ينهار جزء من المسام مؤقتًا، مما يعيق حركة الأيونات حتى يتم إعادة فتح الهيكل.

ويعتمد كلا السلوكين على كمية الشحنة وموقعها الدقيق داخل الثقب النانوي، وكذلك على ما إذا كانت تلك الشحنات موجبة أم سالبة. ومن خلال ضبط “علامة” الشحنة، تمكن الباحثون من التأثير على وقت حدوث البوابات وتحت أي ظروف. واكتشفوا أيضًا أن جعل المسام أكثر صلابة يلغي البوابات تمامًا، مما يوضح أن المرونة الهيكلية ضرورية لهذا التأثير.

نحو المسام النانوية القابلة للبرمجة والتكيف

توفر هذه النتائج خارطة طريق لتصميم المسام النانوية البيولوجية المصممة لاستخدامات محددة. يمكن للمهندسين الآن تعديل المسام لمقاومة البوابات في تقنيات الاستشعار أو دمج البوابات عمدًا في التطبيقات في الحوسبة المستوحاة من الحياة الحيوية. في إحدى العروض، أنشأ الفريق ثقبًا نانويًا يحاكي اللدونة التشابكية، و”يتعلم” من نبضات الجهد بطريقة تشبه الشبكة العصبية. المشبك. يشير هذا النوع من السلوك التكيفي إلى أن المعالجات القائمة على الأيونات المستقبلية يمكن أن تستخدم يومًا ما المسام النانوية كمكونات أساسية.

المرجع: جانيريت-جروجيان، ألكسندر فولسينيتي، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-025-02052-6

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.