ナノ細孔は電気ゲートのように機能

January, 6, 2026, Lausanne--EPFLの研究チームは、電荷と構造が生物学的ナノ細孔内のイオンの流れをどのように制御するかを明らかにし、新しいバイオセンサとイオンベースのコンピューティングへの道を切り開いた。

細孔形成タンパク質は自然界のいたるところに見られる。人間では免疫防御に重要な役割を果たすが、細菌では細胞膜に穴を開ける毒素として作用することがよくある。これらの生物学的細孔により、イオンや分子が膜を通過できるようになる。分子輸送を制御する独自の能力により、DNA シーケンシングや分子センシングなどのバイオテクノロジーにおける強力なナノポア ツールにもなった。

生物学的ナノ細孔は、その重要性とバイオテクノロジーへの影響にもかかわらず、複雑で予測不可能な挙動を示すこともある。たとえば、科学者たちは、イオンがどのように通過するか、なぜイオンの流れが止まることがあるのかをまだ完全には理解していない。

長年にわたって研究者を特に困惑させてきたのは、印加電圧の「符号」(プラスまたはマイナス、正または負)によってイオンの流れが異なる整流と、流れが急激に減少するゲーティングの2つ。どちらの効果、特にゲーティングもセンシングアプリケーションを妨げるが、あまり理解されていない。

今回、EPFLのMatteo Dal PeraroとSledsnadra Radenovicが率いるチームは、これらの影響の物理的根拠を明らかにした。研究チームは、実験、シミュレーション、理論を組み合わせることで、整流とゲートの両方がナノ細孔自体の電荷によって制御され、それらの電荷が細孔を流れるイオンとどのように相互作用するかを示している。

シナプス可塑性の模倣

この研究では、細孔の内側を覆う電荷がイオンの動きに影響を与えるために整流が起こることがわかった。電荷分布により、一方向弁のようにイオンが一方向よりも一方向に通過しやすくなる。一方、ゲーティングは、イオンの大量の流れが電荷の不均衡を引き起こし、細孔を構造的に不安定にし、細孔の一部が一時的に崩壊し、イオンの流れを遮断するときに発生する。

どちらの効果も、電荷の量だけでなく、電荷がナノ細孔のどこに正確に局在しているか、またそれが正か負かによっても異なる。電荷の「記号」を変更することで、科学者たちは細孔ゲートがいつ、どのような条件下でゲートになるかを調整することができた。また、細孔の構造をより硬くすると、ゲーティングが完全に停止することも発見し、細孔の柔軟性が重要な役割を果たしていることを確認した。

この研究結果は、特定のタスクに合わせて生物学的ナノ細孔を微調整する方法を提供する。たとえば、エンジニアはナノポアセンシングでゲーティングを大幅に回避する細孔を設計できるようになったが、バイオインスパイアコンピューティングなどの他のアプリケーションでは、ゲーティングを利用できるようになった。実際、研究チームはシナプスの可塑性を模倣し、神経シナプスのような電圧パルスから「学習」するナノポアを構築した。このようなシステムは、いつの日かイオンベースのプロセッサの基礎を形成する可能性がある。

どうやってそれをしたのか?
研究チームは、センシングによく使用される細菌の細孔であるアエロリシンに焦点を当てた。細孔の内面に沿って荷電アミノ酸を体系的に変異させることにより、電荷パターンの異なる 26 のナノ細孔変異体を作成した。次に、様々な条件下でイオンがこれらの変異細孔をどのように流れるかを測定した。

科学者たちは、交流電圧信号を適用して、様々な時間スケールでシステムを調査した。これにより、主により長い時間スケールで行われるゲーティングから整流を分離することができた。最後に、研究チームは生物物理学モデルを使用してデータを解釈し、根底にあるメカニズムを特定した。