Mnoho různých směrů a aplikací výzkumu nanopórů mimo sekvenování DNA

Mnoho různých směrů a aplikací výzkumu nanopórů mimo sekvenování DNA

V aktuálním Přírodní nanotechnologie Ve studii vědci popisují různé aplikace technologie založené na nanopórech, které přesahují sekvenování deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Současný výzkum se zaměřuje zejména na pokroky této technologie v chemii, biofyzice a nanovědě.

Studie: Technologie založené na nanopórech nad rámec sekvenování DNA.Fotografický kredit: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Co jsou nanopóry?

V tradiční aplikaci vstupují sledované analyty do nanopóru pod aplikovaným proudem, který mění tok iontů nanopórem. Tato změna toku iontů se odráží v časově závislém záznamu proudu, který lze použít k detekci a charakterizaci různých biomolekul, jako jsou DNA, RNA, proteiny, peptidy, metabolity a komplexy protein-DNA na molekulární úrovni.

Typ nanopóru použitého pro konkrétní studii závisí na sledovaném analytu, protože rozměry nanopóru i analytu by měly být srovnatelné, aby došlo k zaznamenatelné změně iontového proudu.

Biologické nanopóry mohou například detekovat biomolekuly s průměry v rozmezí od -1 do 10 nanometrů (nm). Pro srovnání, nanopóry v pevné fázi se používají pro optické aplikace včetně milionů elektronů/iontů, laserového optického leptání a dielektrického rozpadu ultratenkých membrán v pevné fázi.

Aplikace nanopórů

Přestože byly nanopóry původně vyvinuty k detekci iontů a malých molekul, zejména pro účely sekvenování DNA, aplikace této technologie se výrazně rozšířily.

Mezi klíčové výhody nanopórů, které přispěly k jejich širokému uplatnění, patří jejich schopnost zachycovat jednotlivé molekuly sekvenčně a vysokou rychlostí, převádět strukturní i chemické vlastnosti analytů na měřitelný iontový proud a identifikovat druhy bez označení pro zesílení signálu.

Strukturní analýza a sekvenování jednotlivých proteinů

Nanopóry v pevné fázi mohou pomoci extrahovat obecné vlastnosti proteinů, jako je objem, dipól a tvar. Kromě toho se ligandy, jako je biotin, aptamery, proteinové domény nebo protilátky, mohou vázat přímo na biologické nanopóry, dokonce i v přítomnosti komplexních médií, jako je sérum.

Kromě identifikace proteinů mohou nanopóry fungovat jako jednomolekulární senzory a poskytovat informace o proteinové aktivitě, dynamice a konformačních změnách. Například zachycením proteinu v biologickém nanopóru mohou výzkumníci získat informace o konformačních změnách a dynamice proteinu, zatímco zůstává v nanopóru.

Přestože nanopóry nemohou poskytnout informace o aktivitách jednotlivých enzymů, mohou potenciálně monitorovat tvorbu produktů po enzymatických reakcích, zejména pokud nejsou dostupné konvenční spektroskopické testy.

Jednomolekulární chemie

Biologické nanopóry navržené tak, aby obsahovaly reaktivní místa, se nazývají proteinové nanoreaktory. Tyto specifické nanopóry by mohly pomoci analyzovat tvorbu vazeb a události rozbití vazeb jednotlivých molekul připojených k vnitřní stěně nanopóru při modulaci iontového proudu. Mezi další aplikace nanoreaktorů patří analýza fytochemie, stereochemické transformace, polymerační kroky a primární izotopový efekt.

Nanopóry pro studium biologických procesů

Buňky mají ve svých membránách póry o velikosti několika nm, které slouží jako brány pro molekulární transport mezi buněčnými kompartmenty. Abychom lépe porozuměli mechanismům, které se podílejí na transportu biomolekul přes tyto póry, mohly by být extrahovány z buňky a ukotveny do planárních lipidových membrán. Bohužel tento přístup k obnově je extrémně obtížný; Nanopóry proto nabízejí vzrušující příležitosti pro studium buněčné biologie.

Různé inženýrské systémy založené na nanopórech mohou napodobovat biologické póry in vitro, jako jsou asymetrické nanopóry v pevném stavu, které by mohly napodobovat přepínatelné iontové kanály pro studium iontových pump a pórů řízených ionty a pH. Kromě toho mohou být syntetické DNA origami póry také použity k napodobení iontových kanálů s ligandem, zatímco biologické nanopóry mohou být navrženy tak, aby napodobovaly pasivní nebo aktivní membránové transportéry.

Nukleární pórový komplex (NPC), větší pór, který reguluje transport proteinů a RNA mezi buněčnými kompartmenty, lze také studovat pomocí biomimetických NPC. Přestože jsou k dispozici rozsáhlé informace o biologické funkci NPC, biomimetické NPC lze použít k lepšímu pochopení specifických transportních vlastností těchto biologických pórů.

Identifikace a kvantifikace biomarkerů

Analýza přítomnosti specifických biomarkerů v biomedicínských vzorcích, jako jsou tělesné tekutiny, tkáňové biopsie nebo jiné biologické vzorky, jako jsou viry, bakterie a buněčné kultury, představuje řadu problémů.

Například cílové biomolekuly ve vzorcích, z nichž mnohé jsou nukleové kyseliny nebo proteiny, mohou být přítomny v koncentracích od desítek attomolárů (10–18 M) až po subnanomolární rozmezí (10–9 M). Kromě toho takové klinické vzorky obsahují také různé další biomolekuly, které mohou interferovat se samotným nanopórovým senzorem.

K překonání těchto omezení byly vyvinuty různé inteligentní biologické testy a zařízení, které využívají technologii snímání nanopórů k analýze klinických vzorků. Například nová mikrofluidní zařízení integrovaná s nanopórovými senzory mohou být potenciálně použita pro přípravu vzorků nebo detekci koncentrací analytu.

Kromě toho mohou specifické biochemické testy založené na biologických nanopórech zlepšit molekulární specificitu a zároveň eliminovat nežádoucí interakce s molekulami pozadí. Tento přístup může také snížit ztrátu cílových molekul během přípravy vzorku a zároveň zajistit, že nanopór je chráněn před možnou degradací okolními biomolekulami.

Závěry

Zlepšení designu nanopórů umožní těmto technologiím pokročit a řešit vědecké výzvy. Kromě toho vědci očekávají, že nanopóry najdou nové aplikace v široké škále oblastí, od molekulárního snímání a sekvenování až po chemickou katalýzu a biofyzikální charakterizaci.

Odkaz:

• 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