Много различни посоки и приложения за изследване на нанопорите извън секвенирането на ДНК

Много различни посоки и приложения за изследване на нанопорите извън секвенирането на ДНК

В един актуален Природни нанотехнологии В проучването изследователите описват разнообразни приложения на технология, базирана на нанопори, които надхвърлят последователността на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК). По-специално, текущите изследвания се фокусират върху напредъка на тази технология в химията, биофизиката и нанонауката.

проучване: Технологии, базирани на нанопори отвъд секвенирането на ДНК.Снимка: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Какво представляват нанопорите?

При традиционно приложение интересуващите се аналити влизат в нанопората под приложен ток, който променя йонния поток през нанопората. Тази промяна в йонния поток се отразява в зависим от времето запис на ток, който може да се използва за откриване и характеризиране на различни биомолекули като ДНК, РНК, протеини, пептиди, метаболити и комплекси протеин-ДНК на молекулярно ниво.

Типът на нанопората, използвана за конкретно изследване, зависи от интересуващия ни аналит, тъй като размерите на нанопората и аналита трябва да бъдат сравними, за да се получи записваема промяна в йонния ток.

Например, биологичните нанопори могат да откриват биомолекули с диаметри, вариращи от -1 до 10 нанометра (nm). За сравнение, нанопорите в твърдо състояние се използват за оптични приложения, включително милиони електрони/йони, лазерно оптично ецване и диелектрично разрушаване на ултратънки мембрани в твърдо състояние.

Приложения на нанопори

Въпреки че нанопорите първоначално са разработени за откриване на йони и малки молекули, особено за целите на секвенирането на ДНК, приложенията на тази технология се разшириха значително.

Ключовите предимства на нанопорите, които са допринесли за тяхното широко приложение, включват способността им да улавят отделни молекули последователно и с висока скорост, да преобразуват както структурните, така и химичните свойства на аналитите в измерим йонен ток и да идентифицират видове без етикети за усилване на сигнала.

Структурен анализ и секвениране на отделни протеини

Нанопорите в твърдо състояние могат да помогнат за извличане на общите свойства на протеините като обем, дипол и форма. Освен това, лиганди като биотин, аптамери, протеинови домени или антитела могат да се свързват директно с биологични нанопори, дори в присъствието на сложна среда като серум.

В допълнение към идентифицирането на протеини, нанопорите могат да действат като едномолекулни сензори и да предоставят информация за протеиновата активност, динамика и конформационни промени. Например, чрез улавяне на протеин в биологична нанопора, изследователите могат да получат информация за конформационните промени и динамиката на протеина, докато той остава в нанопората.

Въпреки че нанопорите не могат да предоставят информация за дейностите на отделните ензими, те потенциално могат да наблюдават образуването на продукти след ензимни реакции, особено когато не са налични конвенционални спектроскопски анализи.

Химия на една молекула

Биологичните нанопори, предназначени да съдържат реактивни места, се наричат ​​протеинови нанореактори. Тези специфични нанопори могат да помогнат за анализиране на образуването на връзка и събитията на разрушаване на връзката на отделни молекули, прикрепени към вътрешната стена на нанопора, докато модулират йонния ток. Други приложения на нанореакторите включват анализ на фитохимия, стереохимични трансформации, етапи на полимеризация и първичен изотопен ефект.

Нанопори за изследване на биологични процеси

Клетките имат пори с размер на няколко nm в техните мембрани, които служат като врати за молекулен транспорт между клетъчните отделения. За да се разберат по-добре механизмите, включени в транспортирането на биомолекули през тези пори, те могат да бъдат извлечени от клетката и закачени в планарни липидни мембрани. За съжаление, този подход за възстановяване е изключително труден; Следователно нанопорите предлагат вълнуващи възможности за изследване на клетъчната биология.

Различни инженерни системи, базирани на нанопори, могат да имитират биологични пори in vitro, като асиметрични нанопори в твърдо състояние, които биха могли да имитират превключваеми йонни канали за изследване на йонни помпи и пори, контролирани от йони и pH. Освен това, синтетичните ДНК оригами пори могат също да се използват за имитиране на лиганд-зависими йонни канали, докато биологичните нанопори могат да бъдат проектирани да имитират пасивни или активни мембранни транспортери.

Ядреният порен комплекс (NPC), по-голяма пора, която регулира транспорта на протеини и РНК между клетъчните отделения, също може да бъде изследван с помощта на биомиметични NPC. Въпреки че е налична обширна информация за биологичната функция на NPC, биомиметичните NPC могат да се използват за по-добро разбиране на специфичните транспортни свойства на тези биологични пори.

Идентифициране и количествено определяне на биомаркери

Анализирането на наличието на специфични биомаркери в биомедицински проби като телесни течности, тъканни биопсии или други биологични проби като вируси, бактерии и клетъчни култури представлява множество предизвикателства.

Например целевите биомолекули в проби, много от които са нуклеинови киселини или протеини, могат да присъстват в концентрации, вариращи от десетки атомолари (10–18 М) до субнаномоларния диапазон (10–9 М). В допълнение, такива клинични проби също съдържат различни други биомолекули, които могат да попречат на самия нанопорен сензор.

За да се преодолеят тези ограничения, са разработени различни интелигентни биоанализи и устройства, които използват технология за отчитане на нанопори за анализ на клинични проби. Например, нови микрофлуидни устройства, интегрирани с нанопорни сензори, могат потенциално да се използват за подготовка на проби или откриване на концентрации на аналити.

Освен това, специфични биохимични анализи, базирани на биологични нанопори, могат да подобрят молекулярната специфичност, като същевременно елиминират нежеланите взаимодействия с фоновите молекули. Този подход може също да намали загубата на целеви молекули по време на подготовката на пробата, като същевременно гарантира, че нанопората е защитена от възможно разграждане от околните биомолекули.

Изводи

Подобренията в дизайна на нанопорите ще позволят на тези технологии да напредват и да се справят с научните предизвикателства. В допълнение, изследователите очакват, че нанопорите ще намерят нови приложения в широк спектър от области, от молекулярно отчитане и секвениране до химическа катализа и биофизична характеристика.

Справка:

• 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