Πολλές διαφορετικές ερευνητικές κατευθύνσεις και εφαρμογές νανοπόρων πέρα ​​από την αλληλουχία DNA

Πολλές διαφορετικές ερευνητικές κατευθύνσεις και εφαρμογές νανοπόρων πέρα ​​από την αλληλουχία DNA

Σε μια τρέχουσα Νανοτεχνολογία της φύσης Στη μελέτη, οι ερευνητές περιγράφουν ποικίλες εφαρμογές τεχνολογίας που βασίζεται σε νανοπόρους που υπερβαίνουν τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA). Συγκεκριμένα, η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται στις προόδους αυτής της τεχνολογίας στη χημεία, τη βιοφυσική και τη νανοεπιστήμη.

Μελέτη: Τεχνολογίες που βασίζονται σε νανοπόρους πέρα ​​από την αλληλουχία DNA.Φωτογραφία: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Τι είναι οι νανοπόροι;

Σε μια παραδοσιακή εφαρμογή, οι αναλυόμενες ουσίες που ενδιαφέρουν εισέρχονται στον νανοπόρο υπό ένα εφαρμοσμένο ρεύμα που μεταβάλλει τη ροή ιόντων μέσω του νανοπόρου. Αυτή η αλλαγή στη ροή ιόντων αντανακλάται σε μια χρονικά εξαρτώμενη καταγραφή ρεύματος, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό διαφόρων βιομορίων όπως DNA, RNA, πρωτεΐνες, πεπτίδια, μεταβολίτες και σύμπλοκα πρωτεΐνης-DNA σε μοριακό επίπεδο.

Ο τύπος του νανοπόρου που χρησιμοποιείται για μια συγκεκριμένη μελέτη εξαρτάται από τον αναλύτη που μας ενδιαφέρει, καθώς τόσο οι διαστάσεις του νανοπόρου όσο και του αναλύτη θα πρέπει να είναι συγκρίσιμες για να παράγουν μια εγγράψιμη αλλαγή στο ιοντικό ρεύμα.

Για παράδειγμα, οι βιολογικοί νανοπόροι μπορούν να ανιχνεύσουν βιομόρια με διαμέτρους που κυμαίνονται από -1 έως 10 νανόμετρα (nm). Συγκριτικά, οι νανοπόροι στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούνται για οπτικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων εκατομμυρίων ηλεκτρονίων/ιόντων, οπτικής χάραξης με βάση λέιζερ και διηλεκτρικής διάσπασης υπερλεπτών μεμβρανών στερεάς κατάστασης.

Εφαρμογές νανοπόρων

Αν και οι νανοπόροι αναπτύχθηκαν αρχικά για την ανίχνευση ιόντων και μικρών μορίων, ιδιαίτερα για σκοπούς προσδιορισμού αλληλουχίας DNA, οι εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας έχουν επεκταθεί σημαντικά.

Τα βασικά πλεονεκτήματα των νανοπόρων που έχουν συμβάλει στην ευρεία εφαρμογή τους περιλαμβάνουν την ικανότητά τους να συλλαμβάνουν μεμονωμένα μόρια διαδοχικά και με υψηλή ταχύτητα, να μετατρέπουν τόσο τις δομικές όσο και τις χημικές ιδιότητες των αναλυτών σε μετρήσιμο ιοντικό ρεύμα και να αναγνωρίζουν είδη χωρίς ετικέτα για ενίσχυση σήματος.

Δομική ανάλυση και αλληλούχιση μεμονωμένων πρωτεϊνών

Οι νανοπόροι στερεάς κατάστασης μπορούν να βοηθήσουν στην εξαγωγή των γενικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών όπως ο όγκος, το δίπολο και το σχήμα. Επιπλέον, συνδέτες όπως η βιοτίνη, τα απταμερή, οι πρωτεϊνικοί τομείς ή τα αντισώματα μπορούν να συνδεθούν απευθείας σε βιολογικούς νανοπόρους, ακόμη και παρουσία πολύπλοκων μέσων όπως ο ορός.

Εκτός από την αναγνώριση πρωτεϊνών, οι νανοπόροι μπορούν να λειτουργήσουν ως αισθητήρες ενός μορίου και να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη δραστηριότητα της πρωτεΐνης, τη δυναμική και τις διαμορφωτικές αλλαγές. Για παράδειγμα, παγιδεύοντας μια πρωτεΐνη σε έναν βιολογικό νανοπόρο, οι ερευνητές μπορούν να λάβουν πληροφορίες σχετικά με τις διαμορφωτικές αλλαγές και τη δυναμική της πρωτεΐνης όσο αυτή παραμένει στον νανοπόρο.

Αν και οι νανοπόροι δεν μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις δραστηριότητες μεμονωμένων ενζύμων, μπορούν ενδεχομένως να παρακολουθήσουν τον σχηματισμό προϊόντων μετά από ενζυματικές αντιδράσεις, ειδικά όταν δεν είναι διαθέσιμες οι συμβατικές φασματοσκοπικές δοκιμασίες.

Χημεία ενός μορίου

Οι βιολογικοί νανοπόροι που έχουν σχεδιαστεί για να περιέχουν αντιδραστικές θέσεις ονομάζονται νανοαντιδραστήρες πρωτεΐνης. Αυτοί οι συγκεκριμένοι νανοπόροι θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάλυση του σχηματισμού δεσμών και των γεγονότων θραύσης δεσμών μεμονωμένων μορίων που είναι προσαρτημένα στο εσωτερικό τοίχωμα ενός νανοπόρου ενώ ρυθμίζουν το ιοντικό ρεύμα. Άλλες εφαρμογές των νανοαντιδραστήρων περιλαμβάνουν την ανάλυση της φυτοχημείας, τους στερεοχημικούς μετασχηματισμούς, τα στάδια πολυμερισμού και ένα πρωτεύον φαινόμενο ισοτόπου.

Νανοπόροι για τη μελέτη βιολογικών διεργασιών

Τα κύτταρα έχουν πόρους μεγέθους αρκετών nm στις μεμβράνες τους που χρησιμεύουν ως πύλες για τη μοριακή μεταφορά μεταξύ των κυτταρικών διαμερισμάτων. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στη μεταφορά βιομορίων μέσω αυτών των πόρων, θα μπορούσαν να εξαχθούν από το κύτταρο και να προσδεθούν σε επίπεδες λιπιδικές μεμβράνες. Δυστυχώς, αυτή η προσέγγιση ανάκτησης είναι εξαιρετικά δύσκολη. Ως εκ τούτου, οι νανοπόροι προσφέρουν συναρπαστικές ευκαιρίες για τη μελέτη της κυτταρικής βιολογίας.

Διάφορα μηχανικά συστήματα που βασίζονται σε νανοπόρους μπορούν να μιμηθούν βιολογικούς πόρους in vitro, όπως ασύμμετρους νανοπόρους στερεάς κατάστασης που θα μπορούσαν να μιμηθούν διαύλους ιόντων με δυνατότητα μεταγωγής για τη μελέτη αντλιών ιόντων και ελεγχόμενων με ιόντα και pH πόρους. Επιπλέον, οι συνθετικοί πόροι origami DNA μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μίμηση των διαύλων ιόντων που καλύπτονται από συνδέτη, ενώ οι βιολογικοί νανοπόροι μπορούν να σχεδιαστούν για να μιμούνται παθητικούς ή ενεργούς μεταφορείς μεμβράνης.

Το σύμπλεγμα πυρηνικών πόρων (NPC), ένας μεγαλύτερος πόρος που ρυθμίζει τη μεταφορά πρωτεϊνών και RNA μεταξύ των κυτταρικών διαμερισμάτων, μπορεί επίσης να μελετηθεί χρησιμοποιώντας βιομιμητικά NPC. Αν και είναι διαθέσιμες εκτενείς πληροφορίες σχετικά με τη βιολογική λειτουργία των NPC, τα βιομιμητικά NPC μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση των ειδικών ιδιοτήτων μεταφοράς αυτών των βιολογικών πόρων.

Προσδιορισμός και ποσοτικοποίηση βιοδεικτών

Η ανάλυση της παρουσίας συγκεκριμένων βιοδεικτών σε βιοϊατρικά δείγματα όπως σωματικά υγρά, βιοψίες ιστών ή άλλα βιολογικά δείγματα όπως ιοί, βακτήρια και κυτταροκαλλιέργειες παρουσιάζει πολλές προκλήσεις.

Για παράδειγμα, τα βιομόρια-στόχοι σε δείγματα, πολλά από τα οποία είναι νουκλεϊκά οξέα ή πρωτεΐνες, μπορεί να υπάρχουν σε συγκεντρώσεις που κυμαίνονται από δεκάδες ατομομοριακά (10-18 M) έως το υπονανομοριακό εύρος (10-9 M). Επιπλέον, τέτοια κλινικά δείγματα περιέχουν επίσης διάφορα άλλα βιομόρια που μπορούν να επηρεάσουν τον ίδιο τον αισθητήρα νανοπόρου.

Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, έχουν αναπτυχθεί διάφορες έξυπνες βιοδοκιμές και συσκευές που χρησιμοποιούν τεχνολογία ανίχνευσης νανοπόρου για την ανάλυση κλινικών δειγμάτων. Για παράδειγμα, νέες μικρορευστικές συσκευές ενσωματωμένες με αισθητήρες νανοπόρου μπορούν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την προετοιμασία δειγμάτων ή την ανίχνευση συγκεντρώσεων αναλυόμενης ουσίας.

Επιπλέον, ειδικές βιοχημικές αναλύσεις που βασίζονται σε βιολογικούς νανοπόρους μπορούν να βελτιώσουν τη μοριακή εξειδίκευση ενώ εξαλείφουν τις ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις με μόρια υποβάθρου. Αυτή η προσέγγιση μπορεί επίσης να μειώσει την απώλεια μορίων-στόχων κατά την προετοιμασία του δείγματος, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι ο νανοπόρος προστατεύεται από πιθανή αποικοδόμηση από τα περιβάλλοντα βιομόρια.

συμπεράσματα

Οι βελτιώσεις στον σχεδιασμό νανοπόρων θα επιτρέψουν σε αυτές τις τεχνολογίες να προχωρήσουν και να αντιμετωπίσουν τις επιστημονικές προκλήσεις. Επιπλέον, οι ερευνητές αναμένουν ότι οι νανοπόροι θα βρουν νέες εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα τομέων, από τη μοριακή ανίχνευση και τον προσδιορισμό αλληλουχίας έως τη χημική κατάλυση και τον βιοφυσικό χαρακτηρισμό.

Αναφορά:

• 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