العديد من اتجاهات وتطبيقات أبحاث المسام النانوية المختلفة التي تتجاوز تسلسل الحمض النووي

العديد من اتجاهات وتطبيقات أبحاث المسام النانوية المختلفة التي تتجاوز تسلسل الحمض النووي

في واحدة الحالية تكنولوجيا النانو الطبيعة في هذه الدراسة، يصف الباحثون تطبيقات متنوعة للتكنولوجيا القائمة على المسام النانوية والتي تتجاوز تسلسل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). وعلى وجه الخصوص، تركز الأبحاث الحالية على التقدم الذي أحرزته هذه التكنولوجيا في الكيمياء والفيزياء الحيوية وعلم النانو.

يذاكر: التقنيات المعتمدة على المسام النانوية والتي تتجاوز تسلسل الحمض النووي.مصدر الصورة: يورشانكا سيارهي / Shutterstock.com

ما هي المسام النانوية؟

في التطبيقات التقليدية، تدخل المواد التحليلية محل الاهتمام إلى الثقب النانوي تحت تيار مطبق يغير تدفق الأيونات عبر الثقب النانوي. ينعكس هذا التغيير في تدفق الأيونات في التسجيل الحالي المعتمد على الوقت، والذي يمكن استخدامه لاكتشاف وتوصيف الجزيئات الحيوية المختلفة مثل الحمض النووي، والحمض النووي الريبي (RNA)، والبروتينات، والببتيدات، والمستقلبات، ومجمعات البروتين-الحمض النووي (DNA) على المستوى الجزيئي.

يعتمد نوع ثقب النانو المستخدم في دراسة معينة على المادة التحليلية محل الاهتمام، حيث يجب أن تكون أبعاد ثقب النانو وأبعاد التحليل قابلة للمقارنة لإنتاج تغيير قابل للتسجيل في التيار الأيوني.

على سبيل المثال، يمكن للمسام النانوية البيولوجية اكتشاف الجزيئات الحيوية بأقطار تتراوح من -1 إلى 10 نانومتر (نانومتر). بالمقارنة، يتم استخدام المسام النانوية ذات الحالة الصلبة للتطبيقات البصرية بما في ذلك ملايين الإلكترون/الأيون، والحفر البصري المعتمد على الليزر، والانهيار العازل لأغشية الحالة الصلبة فائقة الرقة.

تطبيقات المسام النانوية

على الرغم من أن المسام النانوية تم تطويرها في الأصل لاكتشاف الأيونات والجزيئات الصغيرة، خاصة لأغراض تسلسل الحمض النووي، إلا أن تطبيقات هذه التقنية توسعت بشكل كبير.

تشمل المزايا الرئيسية للمسام النانوية التي ساهمت في تطبيقها على نطاق واسع قدرتها على التقاط الجزيئات الفردية بالتتابع وبسرعة عالية، وتحويل كل من الخصائص الهيكلية والكيميائية للتحليلات إلى تيار أيوني قابل للقياس، وتحديد الأنواع الخالية من الملصقات لتضخيم الإشارة.

التحليل الهيكلي وتسلسل البروتينات الفردية

يمكن أن تساعد المسام النانوية ذات الحالة الصلبة في استخلاص الخصائص العامة للبروتينات مثل الحجم وثنائي القطب والشكل. علاوة على ذلك، يمكن أن ترتبط الروابط مثل البيوتين أو الأبتامرات أو مجالات البروتين أو الأجسام المضادة مباشرة بالمسام النانوية البيولوجية، حتى في وجود وسائط معقدة مثل المصل.

بالإضافة إلى تحديد البروتينات، يمكن أن تعمل المسام النانوية كأجهزة استشعار لجزيء واحد وتوفر معلومات حول نشاط البروتين وديناميكياته والتغيرات التوافقية. على سبيل المثال، من خلال محاصرة البروتين في ثقب نانوي بيولوجي، يمكن للباحثين الحصول على معلومات حول التغيرات والديناميكيات المطابقة للبروتين أثناء بقائه في ثقب النانو.

على الرغم من أن المسام النانوية لا يمكنها توفير معلومات حول أنشطة الإنزيمات الفردية، إلا أنها يمكنها مراقبة تكوين المنتجات بعد التفاعلات الأنزيمية، خاصة عندما لا تتوفر المقايسات الطيفية التقليدية.

كيمياء الجزيء الواحد

تسمى المسام النانوية البيولوجية المصممة لاحتواء المواقع التفاعلية بالمفاعلات النانوية البروتينية. يمكن أن تساعد هذه المسام النانوية المحددة في تحليل تكوين الروابط وأحداث كسر الروابط للجزيئات الفردية المرتبطة بالجدار الداخلي للمسام النانوية أثناء تعديل التيار الأيوني. تشمل التطبيقات الأخرى للمفاعلات النانوية تحليل الكيمياء النباتية، والتحولات الكيميائية المجسمة، وخطوات البلمرة، وتأثير النظائر الأولية.

المسام النانوية لدراسة العمليات البيولوجية

تحتوي الخلايا على عدة مسام بحجم نانومتر في أغشيتها تعمل كبوابات للنقل الجزيئي بين حجرات الخلية. لفهم الآليات المستخدمة في نقل الجزيئات الحيوية عبر هذه المسام بشكل أفضل، يمكن استخلاصها من الخلية وتثبيتها في الأغشية الدهنية المستوية. ولسوء الحظ، فإن نهج التعافي هذا صعب للغاية؛ ولذلك، توفر المسام النانوية فرصًا مثيرة لدراسة بيولوجيا الخلية.

يمكن للعديد من الأنظمة الهندسية القائمة على المسام النانوية أن تحاكي المسام البيولوجية في المختبر، مثل المسام النانوية غير المتماثلة ذات الحالة الصلبة والتي يمكن أن تحاكي القنوات الأيونية القابلة للتحويل لدراسة المضخات الأيونية والمسام التي يتم التحكم فيها بالأيونات والأس الهيدروجيني. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا استخدام مسام أوريغامي الحمض النووي الاصطناعية لتقليد القنوات الأيونية ذات البوابات الرابطة، في حين يمكن تصميم المسام النانوية البيولوجية لتقليد ناقلات الأغشية السلبية أو النشطة.

يمكن أيضًا دراسة مجمع المسام النووي (NPC)، وهو مسام أكبر ينظم نقل البروتينات والـ RNA بين الأجزاء الخلوية، باستخدام NPCs المحاكاة الحيوية. على الرغم من توفر معلومات واسعة النطاق حول الوظيفة البيولوجية للخلايا غير القابلة للعب، يمكن استخدام الشخصيات غير القابلة للعب المحاكاة الحيوية لفهم خصائص النقل المحددة لهذه المسام البيولوجية بشكل أفضل.

تحديد وتقدير المؤشرات الحيوية

يمثل تحليل وجود مؤشرات حيوية محددة في العينات الطبية الحيوية مثل سوائل الجسم أو خزعات الأنسجة أو العينات البيولوجية الأخرى مثل الفيروسات والبكتيريا ومزارع الخلايا تحديات عديدة.

على سبيل المثال، يمكن أن تتواجد الجزيئات الحيوية المستهدفة في العينات، والتي يكون الكثير منها عبارة عن أحماض نووية أو بروتينات، بتركيزات تتراوح من عشرات الذرات (10-18 م) إلى النطاق دون النانومولي (10-9 م). بالإضافة إلى ذلك، تحتوي هذه العينات السريرية أيضًا على العديد من الجزيئات الحيوية الأخرى التي يمكن أن تتداخل مع مستشعر ثقب النانو نفسه.

للتغلب على هذه القيود، تم تطوير العديد من الاختبارات الحيوية والأجهزة الذكية التي تستخدم تقنية استشعار ثقب النانو لتحليل العينات السريرية. على سبيل المثال، يمكن استخدام أجهزة موائع جزيئية جديدة مدمجة مع أجهزة استشعار ذات مسام نانوية لإعداد العينات أو الكشف عن تركيزات الحليلة.

علاوة على ذلك، يمكن لفحوصات كيميائية حيوية محددة تعتمد على المسام النانوية البيولوجية أن تحسن الخصوصية الجزيئية مع القضاء على التفاعلات غير المرغوب فيها مع جزيئات الخلفية. يمكن لهذا النهج أيضًا أن يقلل من فقدان الجزيئات المستهدفة أثناء تحضير العينة مع ضمان حماية المسام النانوية من التحلل المحتمل بواسطة الجزيئات الحيوية المحيطة.

الاستنتاجات

إن التحسينات في تصميم المسام النانوية ستمكن هذه التقنيات من التقدم ومواجهة التحديات العلمية. بالإضافة إلى ذلك، يتوقع الباحثون أن تجد المسام النانوية تطبيقات جديدة في مجموعة واسعة من المجالات، بدءًا من الاستشعار الجزيئي والتسلسل إلى التحفيز الكيميائي والتوصيف الفيزيائي الحيوي.

مرجع:

• Ying, Y., Hu, Z., Zhang, S., et al. (2022). Nanoporenbasierte Technologien über die DNA-Sequenzierung hinaus. Natur-Nanotechnologie. doi:10.1038/s41565-022-01193-2