Mange forskellige nanopore-forskningsretninger og -applikationer ud over DNA-sekventering

Mange forskellige nanopore-forskningsretninger og -applikationer ud over DNA-sekventering

I en aktuel Naturens nanoteknologi I undersøgelsen beskriver forskere forskellige anvendelser af nanopore-baseret teknologi, der går ud over deoxyribonukleinsyre (DNA) sekventering. Især fokuserer den nuværende forskning på fremskridt inden for denne teknologi inden for kemi, biofysik og nanovidenskab.

Studere: Nanopore-baserede teknologier ud over DNA-sekventering.Fotokredit: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Hvad er nanoporer?

I en traditionel anvendelse kommer analytterne af interesse ind i nanoporen under en påført strøm, der ændrer ionstrømmen gennem nanoporen. Denne ændring i ionflux afspejles i en tidsafhængig strømregistrering, som kan bruges til at detektere og karakterisere forskellige biomolekyler såsom DNA, RNA, proteiner, peptider, metabolitter og protein-DNA-komplekser på molekylært niveau.

Typen af ​​nanopore, der bruges til en bestemt undersøgelse, afhænger af analytten af ​​interesse, da både nanopore- og analytdimensionerne bør være sammenlignelige for at producere en registrerbar ændring i ionstrøm.

For eksempel kan biologiske nanoporer detektere biomolekyler med diametre fra -1 til 10 nanometer (nm). Til sammenligning bruges faststof-nanoporer til optiske applikationer, herunder elektron/ion-millioner, laserbaseret optisk ætsning og dielektrisk nedbrydning af ultratynde faststofmembraner.

Anvendelser af nanoporer

Selvom nanoporer oprindeligt blev udviklet til at detektere ioner og små molekyler, især til DNA-sekventeringsformål, er anvendelserne af denne teknologi udvidet betydeligt.

De vigtigste fordele ved nanoporer, der har bidraget til deres brede anvendelse, inkluderer deres evne til at fange individuelle molekyler sekventielt og ved høj hastighed, konvertere både de strukturelle og kemiske egenskaber af analytter til en målbar ionstrøm og identificere mærkefrie arter til signalamplifikation.

Strukturel analyse og sekventering af individuelle proteiner

Fast-state nanoporer kan hjælpe med at udvinde de generelle egenskaber af proteiner såsom volumen, dipol og form. Endvidere kan ligander såsom biotin, aptamerer, proteindomæner eller antistoffer binde direkte til biologiske nanoporer, selv i nærværelse af komplekse medier såsom serum.

Ud over at identificere proteiner kan nanoporer fungere som enkeltmolekylesensorer og give information om proteinaktivitet, dynamik og konformationelle ændringer. For eksempel ved at fange et protein i en biologisk nanopore, kan forskere få information om proteinets konformationelle ændringer og dynamik, mens det forbliver i nanoporen.

Selvom nanoporer ikke kan give information om individuelle enzymers aktiviteter, kan de potentielt overvåge dannelsen af ​​produkter efter enzymatiske reaktioner, især når konventionelle spektroskopiske analyser ikke er tilgængelige.

Enkelt molekyle kemi

Biologiske nanoporer designet til at indeholde reaktive steder kaldes protein nanoreaktorer. Disse specifikke nanoporer kunne hjælpe med at analysere bindingsdannelse og bindingsbrudhændelser af individuelle molekyler knyttet til den indre væg af en nanopore, mens de modulerer ionstrømmen. Andre anvendelser af nanoreaktorer omfatter analyse af fytokemi, stereokemiske transformationer, polymerisationstrin og en primær isotopeffekt.

Nanoporer til undersøgelse af biologiske processer

Celler har flere nm-størrelse porer i deres membraner, der tjener som porte for molekylær transport mellem celle rum. For bedre at forstå de mekanismer, der er involveret i transport af biomolekyler gennem disse porer, kunne de ekstraheres fra cellen og forankres i plane lipidmembraner. Desværre er denne inddrivelsestilgang ekstremt vanskelig; Derfor tilbyder nanoporer spændende muligheder for studiet af cellebiologi.

Forskellige nanopore-baserede konstruerede systemer kan efterligne biologiske porer in vitro, såsom asymmetriske faststof-nanoporer, der kunne efterligne omskiftelige ionkanaler for at studere ionpumper og ion- og pH-kontrollerede porer. Desuden kan syntetiske DNA-origami-porer også bruges til at efterligne ligand-gatede ionkanaler, mens biologiske nanoporer kan designes til at efterligne passive eller aktive membrantransportører.

Det nukleare porekompleks (NPC), en større pore, der regulerer transporten af ​​proteiner og RNA'er mellem cellulære rum, kan også studeres ved hjælp af biomimetiske NPC'er. Selvom omfattende information om den biologiske funktion af NPC'er er tilgængelig, kan biomimetiske NPC'er bruges til bedre at forstå de specifikke transportegenskaber af disse biologiske porer.

Identifikation og kvantificering af biomarkører

At analysere tilstedeværelsen af ​​specifikke biomarkører i biomedicinske prøver såsom kropsvæsker, vævsbiopsier eller andre biologiske prøver såsom vira, bakterier og cellekulturer giver adskillige udfordringer.

For eksempel kan målbiomolekyler i prøver, hvoraf mange er nukleinsyrer eller proteiner, være til stede i koncentrationer, der spænder fra snesevis af attomolære (10-18 M) til det subnanomolære område (10-9 M). Derudover indeholder sådanne kliniske prøver også forskellige andre biomolekyler, der kan interferere med selve nanopore-sensoren.

For at overvinde disse begrænsninger er der udviklet forskellige smarte bioassays og enheder, der bruger nanopore sensing-teknologi til at analysere kliniske prøver. For eksempel kan nye mikrofluidiske enheder integreret med nanopore-sensorer potentielt bruges til prøveforberedelse eller påvisning af analytkoncentrationer.

Desuden kan specifikke biokemiske assays baseret på biologiske nanoporer forbedre molekylær specificitet og samtidig eliminere uønskede interaktioner med baggrundsmolekyler. Denne tilgang kan også reducere tabet af målmolekyler under prøveforberedelse og samtidig sikre, at nanoporen er beskyttet mod mulig nedbrydning af omgivende biomolekyler.

Konklusioner

Forbedringer i nanopore-design vil gøre det muligt for disse teknologier at fremme og løse videnskabelige udfordringer. Derudover forventer forskere, at nanoporer vil finde nye anvendelser på en lang række områder, fra molekylær sansning og sekventering til kemisk katalyse og biofysisk karakterisering.

Reference:

• 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