Paljud erinevad nanopooride uurimissuunad ja rakendused peale DNA sekveneerimise

Paljud erinevad nanopooride uurimissuunad ja rakendused peale DNA sekveneerimise

Praeguses Looduse nanotehnoloogia Uuringus kirjeldavad teadlased nanopooripõhise tehnoloogia erinevaid rakendusi, mis lähevad kaugemale desoksüribonukleiinhappe (DNA) sekveneerimisest. Eelkõige keskenduvad praegused uuringud selle tehnoloogia edusammudele keemias, biofüüsikas ja nanoteaduses.

Uuring: Nanopooripõhised tehnoloogiad väljaspool DNA järjestamist.Foto krediit: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Mis on nanopoorid?

Traditsioonilises rakenduses sisenevad huvipakkuvad analüüdid nanopoori rakendatud voolu all, mis muudab ioonide voolu läbi nanopoori. See ioonivoo muutus kajastub ajast sõltuvas voolusalvestuses, mida saab kasutada erinevate biomolekulide, nagu DNA, RNA, valkude, peptiidide, metaboliitide ja valgu-DNA komplekside tuvastamiseks ja iseloomustamiseks molekulaarsel tasemel.

Konkreetse uuringu jaoks kasutatava nanopoori tüüp sõltub huvipakkuvast analüüdist, kuna nii nanopoori kui ka analüüdi mõõtmed peaksid olema võrreldavad, et tekitada ioonvoolu registreeritav muutus.

Näiteks võivad bioloogilised nanopoorid tuvastada biomolekule läbimõõduga -1 kuni 10 nanomeetrit (nm). Võrdluseks, tahkis-nanopoore kasutatakse optilistes rakendustes, sealhulgas miljonites elektronide / ioonide, laseripõhise optilise söövitamise ja üliõhukeste tahkismembraanide dielektrilise lagunemise jaoks.

Nanopooride rakendused

Kuigi nanopoorid töötati algselt välja ioonide ja väikeste molekulide tuvastamiseks, eriti DNA sekveneerimise eesmärgil, on selle tehnoloogia rakendused märkimisväärselt laienenud.

Nanopooride peamised eelised, mis on aidanud kaasa nende laialdasele kasutamisele, hõlmavad nende võimet püüda üksikuid molekule järjestikku ja suurel kiirusel, muuta nii analüütide struktuursed kui keemilised omadused mõõdetavaks ioonvooluks ning tuvastada märgisteta liike signaali võimendamiseks.

Üksikute valkude struktuurianalüüs ja järjestamine

Tahkis-nanopoorid võivad aidata eraldada valkude üldisi omadusi, nagu maht, dipool ja kuju. Lisaks võivad ligandid, nagu biotiin, aptameerid, valgu domeenid või antikehad, seostuda otse bioloogiliste nanopooridega isegi kompleksse söötme, näiteks seerumi juuresolekul.

Lisaks valkude tuvastamisele võivad nanopoorid toimida ühemolekuliliste anduritena ja anda teavet valkude aktiivsuse, dünaamika ja konformatsiooniliste muutuste kohta. Näiteks, püüdes valgu bioloogilisse nanopoori, saavad teadlased teavet valgu konformatsiooniliste muutuste ja dünaamika kohta, kui see jääb nanopoori.

Kuigi nanopoorid ei saa anda teavet üksikute ensüümide aktiivsuse kohta, võivad nad potentsiaalselt jälgida ensümaatilisi reaktsioone järgnenud produktide moodustumist, eriti kui tavapärased spektroskoopilised analüüsid pole saadaval.

Ühe molekuli keemia

Bioloogilisi nanopoore, mis on kavandatud sisaldama reaktiivseid kohti, nimetatakse valgu nanoreaktoriteks. Need spetsiifilised nanopoorid võivad aidata analüüsida nanopoori siseseina külge kinnitatud üksikute molekulide sidemete moodustumist ja sidemete katkemise sündmusi, moduleerides samal ajal ioonvoolu. Nanoreaktorite muud rakendused hõlmavad fütokeemia, stereokeemiliste transformatsioonide, polümerisatsiooni etappide ja primaarse isotoobiefekti analüüsi.

Nanopoorid bioloogiliste protsesside uurimiseks

Rakkude membraanides on mitme nm suurused poorid, mis toimivad väravatena molekulaarseks transpordiks rakuosade vahel. Et paremini mõista mehhanisme, mis on seotud biomolekulide transportimisega läbi nende pooride, võiks need rakust ekstraheerida ja dokkida tasapinnalistesse lipiidmembraanidesse. Kahjuks on see taastumisviis äärmiselt raske; Seetõttu pakuvad nanopoorid põnevaid võimalusi rakubioloogia uurimiseks.

Erinevad nanopooripõhised konstrueeritud süsteemid võivad jäljendada bioloogilisi poore in vitro, nagu asümmeetrilised tahkis-nanopoorid, mis võivad jäljendada lülitatavaid ioonkanaleid, et uurida ioonipumpasid ning iooni- ja pH-ga kontrollitavaid poore. Lisaks saab sünteetilisi DNA origami poore kasutada ka ligandiga seotud ioonikanalite jäljendamiseks, samas kui bioloogilisi nanopoore saab kujundada passiivsete või aktiivsete membraanitransporterite jäljendamiseks.

Biomimeetilisi NPC-sid kasutades saab uurida ka tuumapooride kompleksi (NPC), suuremat poori, mis reguleerib valkude ja RNA-de transporti rakuliste sektsioonide vahel. Kuigi NPC-de bioloogilise funktsiooni kohta on saadaval ulatuslik teave, saab biomimeetilisi NPC-sid kasutada nende bioloogiliste pooride spetsiifiliste transpordiomaduste paremaks mõistmiseks.

Biomarkerite identifitseerimine ja kvantifitseerimine

Spetsiifiliste biomarkerite olemasolu analüüsimine biomeditsiinilistes proovides, nagu kehavedelikud, koebiopsiad või muud bioloogilised proovid, nagu viirused, bakterid ja rakukultuurid, esitab mitmeid väljakutseid.

Näiteks võivad proovides olevad sihtmärk-biomolekulid, millest paljud on nukleiinhapped või valgud, esineda kontsentratsioonides, mis ulatuvad kümnetest attomolaaridest (10–18 M) kuni subnanomolaarse vahemikuni (10–9 M). Lisaks sisaldavad sellised kliinilised proovid ka mitmesuguseid muid biomolekule, mis võivad nanopooride anduri enda tööd häirida.

Nende piirangute ületamiseks on välja töötatud erinevad nutikad biotestid ja seadmed, mis kasutavad kliiniliste proovide analüüsimiseks nanopooride tuvastamise tehnoloogiat. Näiteks saab proovide ettevalmistamiseks või analüüdi kontsentratsioonide tuvastamiseks potentsiaalselt kasutada nanopooride anduritega integreeritud uudseid mikrofluidiseadmeid.

Lisaks võivad bioloogilistel nanopooridel põhinevad spetsiifilised biokeemilised testid parandada molekulaarset spetsiifilisust, kõrvaldades samal ajal soovimatud interaktsioonid taustmolekulidega. See lähenemisviis võib vähendada ka sihtmolekulide kadu proovi ettevalmistamise ajal, tagades samal ajal, et nanopoor on kaitstud ümbritsevate biomolekulide võimaliku lagunemise eest.

Järeldused

Nanopooride disaini täiustamine võimaldab neil tehnoloogiatel teaduslikke väljakutseid edasi arendada ja lahendada. Lisaks eeldavad teadlased, et nanopoorid leiavad uudseid rakendusi paljudes valdkondades, alates molekulaarsest tuvastusest ja sekveneerimisest kuni keemilise katalüüsi ja biofüüsikalise iseloomustamiseni.

Viide:

• 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