Alcuni tipi di batteri hanno la capacità di perforare altre cellule e ucciderle. Lo fanno rilasciando proteine ​​specializzate chiamate "tossine che formano pori" (PFT) che si attaccano alla membrana cellulare e formano un canale simile a un tubo che la attraversa. Questa struttura attraverso la membrana è chiamata poro. Perforato da più PFT, la cellula bersaglio si autodistrugge.

Però, I PFT hanno raccolto molto interesse al di là delle infezioni batteriche. I pori di dimensioni nanometriche che formano vengono utilizzati per rilevare le biomolecole:una molecola biologica, per esempio., DNA o RNA, passa attraverso il nanoporo come una corda guidata da una tensione, e i suoi singoli componenti (ad es. acidi nucleici nel DNA) emettono segnali elettrici distinti che possono essere letti. Infatti, il rilevamento dei nanopori è già sul mercato come uno strumento importante per il sequenziamento del DNA o dell'RNA.

Pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , gli scienziati guidati da Matteo Dal Peraro all'EPFL hanno studiato un altro importante PFT che può essere utilizzato efficacemente per il rilevamento più complesso, come il sequenziamento delle proteine. La tossina è l'aerolisina, prodotto dal batterio Aeromonas hydrophila, ed è il "membro fondatore" di una grande famiglia di PFT presenti in molti organismi.

Uno dei principali vantaggi dell'aerolisina è che forma pori molto stretti che possono distinguere molecole con una risoluzione molto più elevata rispetto ad altre tossine. Precedenti studi hanno dimostrato che l'aerolisina può essere utilizzata per "sentire" diverse biomolecole, ma ci sono stati pochi studi sulla relazione tra la struttura dell'aerolisina e le sue capacità di rilevamento molecolare.

I ricercatori hanno prima utilizzato un modello strutturale di aerolisina per studiarne la struttura con simulazioni al computer. Come una proteina, l'aerolisina è costituita da amminoacidi, e il modello ha aiutato gli scienziati a capire come quegli amminoacidi influenzano la funzione dell'aerolisina in generale.

Una volta compreso quel rapporto, i ricercatori hanno cambiato strategicamente gli amminoacidi nel modello al computer. Il modello ha quindi previsto il possibile impatto di ogni cambiamento sulla funzione complessiva dell'aerolisina.

Alla fine del processo di calcolo, Dottor Chan Cao, l'autore principale di questo lavoro, prodotto 16 geneticamente modificati, pori aerolisina "mutanti", li hanno incorporati in doppi strati lipidici per simulare la loro posizione in una membrana cellulare, ed effettuato varie misurazioni (registrazione a canale singolo ed esperimenti di traslocazione molecolare) per capire come la conduttanza ionica, selettività ionica, e le proprietà di traslocazione del poro aerolisina sono regolate a livello molecolare.

E con questo approccio, i ricercatori hanno finalmente scoperto cosa guida la relazione tra la struttura e la funzione dell'aerolisina:il suo cappuccio. Il poro dell'aerolisina non è solo un tubo che passa attraverso la membrana, ma ha anche una struttura simile a un cappuccio che attrae e lega la molecola bersaglio e la "tira" attraverso il canale del poro. E lo studio ha scoperto che è l'elettrostatica in questa regione del cappuccio a dettare questa relazione.

"Capendo i dettagli di come la struttura del poro dell'aerolisina si collega alla sua funzione, ora possiamo progettare pori personalizzati per varie applicazioni di rilevamento, "dice Dal Peraro. "Queste aprirebbero nuove, opportunità inesplorate di sequenziare biomolecole come DNA, proteine ​​e le loro modifiche post-traduzionali con applicazioni promettenti nel sequenziamento dei geni e nel rilevamento di biomarcatori per la diagnostica." Gli scienziati hanno già depositato un brevetto per il loro sequenziamento e caratterizzazione dei pori dell'aerolisina geneticamente modificati.