박테리아 나노기공에서 발견된 뇌와 유사한 학습

생물학적 나노기공은 생명공학에 혁명을 일으켰지만 복잡하고 때로는 불규칙한 방식으로 작동할 수 있습니다. 연구자들은 이온이 어떻게 이온을 통해 이동하는지, 이온 흐름이 가끔 완전히 멈추는 이유에 대한 완전한 이해가 여전히 부족합니다.

특히 수수께끼 같은 두 가지 행동은 오랫동안 과학자들의 흥미를 끌었습니다. 바로 정류(Rectification)와 게이팅(Gating)입니다. 적용된 전압의 “부호”(플러스 또는 마이너스 – 플러스 또는 마이너스)에 따라 이온의 흐름이 변경될 때 정류가 발생합니다. 게이팅은 이온 흐름이 갑자기 감소하거나 멈출 때 발생합니다. 이러한 효과, 특히 게이팅은 나노기공 기반 감지를 방해할 수 있으며 설명하기 어려운 상태로 남아 있습니다.

EPFL의 Matteo Dal Peraro와 Aleksandra Radenovic이 이끄는 연구팀은 이제 이 두 가지 효과 뒤에 숨은 물리적 메커니즘을 확인했습니다. 실험, 시뮬레이션 및 이론적 모델링을 결합하여 정류와 게이팅이 모두 나노기공의 자체 전하와 이러한 전하가 기공을 통해 이동하는 이온과 상호 작용하는 방식에서 발생한다는 것을 발견했습니다.

전하 실험

연구팀은 감지 연구에 일반적으로 사용되는 박테리아 기공인 에어로리신을 연구했습니다. 그들은 내부에 늘어선 전하를 띤 아미노산을 변형하여 각각 뚜렷한 전하 패턴을 가진 26개의 나노 기공 변형을 만들었습니다. 다양한 조건에서 이온이 변형된 기공을 통해 어떻게 이동하는지 관찰함으로써 주요 전기적 및 구조적 요인을 분리할 수 있었습니다.

이러한 효과가 시간이 지남에 따라 어떻게 전개되는지 더 잘 이해하기 위해 과학자들은 교류 전압 신호를 나노 기공에 적용했습니다. 이 접근 방식을 통해 그들은 빠르게 발생하는 정류와 더 느리게 발생하는 게이팅을 구별할 수 있었습니다. 그런 다음 그들은 데이터를 해석하고 작동 메커니즘을 밝히기 위해 생물물리학적 모델을 구축했습니다.

나노기공이 뇌처럼 학습하는 방법

연구자들은 내부 표면의 전하가 이온 이동에 어떻게 영향을 미치고 일방향 밸브와 유사하게 이온이 다른 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐르게 하기 때문에 정류가 발생한다는 것을 발견했습니다. 이와 대조적으로 게이팅은 무거운 이온 흐름이 전하 균형을 방해하고 기공 구조를 불안정하게 만들 때 발생합니다. 이 일시적인 붕괴는 시스템이 재설정될 때까지 이온 통과를 차단합니다.

두 효과 모두 나노기공 내 전하의 정확한 위치와 유형에 따라 달라집니다. 혐의 “표시”를 반대로 함으로써 팀은 게이팅이 발생하는 시기와 방법을 제어할 수 있었습니다. 기공의 강성을 높이면 게이팅이 완전히 중단되어 구조적 유연성이 이 현상의 핵심임을 확인했습니다.

더 스마트한 나노기공을 향하여

이러한 발견은 맞춤형 특성을 지닌 생물학적 나노기공 엔지니어링에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 이제 과학자들은 나노 기공 감지 응용 분야에서 원치 않는 게이팅을 최소화하거나 생체 영감 컴퓨팅을 위해 의도적으로 게이팅을 사용하는 기공을 설계할 수 있습니다. 한 시연에서 팀은 신경 시냅스와 매우 유사하게 전압 펄스로부터 “학습”하여 시냅스 가소성을 모방하는 나노기공을 만들었습니다. 이 발견은 미래의 이온 기반 프로세서가 언젠가 이러한 분자적 “학습”을 활용하여 새로운 형태의 컴퓨팅을 강화할 수 있음을 시사합니다.