Monia erilaisia ​​nanohuokosten tutkimussuuntia ja sovelluksia DNA-sekvensoinnin lisäksi

Monia erilaisia ​​nanohuokosten tutkimussuuntia ja sovelluksia DNA-sekvensoinnin lisäksi

Nykyisessä Luonnon nanoteknologia Tutkimuksessa tutkijat kuvaavat nanohuokospohjaisen teknologian erilaisia ​​sovelluksia, jotka ylittävät deoksiribonukleiinihapon (DNA) sekvensoinnin. Nykyinen tutkimus keskittyy erityisesti tämän tekniikan edistykseen kemian, biofysiikan ja nanotieteen aloilla.

Tutkimus: Nanohuokopohjaiset tekniikat DNA-sekvensoinnin lisäksi.Valokuva: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Mitä nanohuokoset ovat?

Perinteisessä sovelluksessa mielenkiinnon kohteena olevat analyytit tulevat nanohuokoseen kohdistetulla virralla, joka muuttaa ionivirtausta nanohuokosen läpi. Tämä ionivirran muutos heijastuu ajasta riippuvaiseen virran tallennukseen, jonka avulla voidaan havaita ja karakterisoida erilaisia ​​biomolekyylejä, kuten DNA:ta, RNA:ta, proteiineja, peptidejä, metaboliitteja ja proteiini-DNA-komplekseja molekyylitasolla.

Tietyssä tutkimuksessa käytetyn nanohuokosen tyyppi riippuu kiinnostuksen kohteena olevasta analyytistä, koska sekä nanohuokosten että analyytin mittojen tulisi olla vertailukelpoisia, jotta saadaan aikaan tallennettava muutos ionivirrassa.

Biologiset nanohuokoset voivat esimerkiksi havaita biomolekyylejä, joiden halkaisijat vaihtelevat välillä -1 - 10 nanometriä (nm). Vertailun vuoksi, solid-state-nanohuokosia käytetään optisissa sovelluksissa, mukaan lukien elektroni/ionimiljoonat, laserpohjainen optinen syövytys ja ultraohuiden solid-state-kalvojen dielektrinen hajottaminen.

Nanohuokosten sovellukset

Vaikka nanohuokoset kehitettiin alun perin havaitsemaan ioneja ja pieniä molekyylejä, erityisesti DNA-sekvensointitarkoituksiin, tämän tekniikan sovellukset ovat laajentuneet merkittävästi.

Nanohuokosten tärkeimmät edut, jotka ovat edistäneet niiden laajaa käyttöä, ovat niiden kyky siepata yksittäisiä molekyylejä peräkkäin ja suurella nopeudella, muuntaa sekä analyyttien rakenteelliset että kemialliset ominaisuudet mitattavissa olevaksi ionivirraksi ja tunnistaa leimattomia lajeja signaalin vahvistamista varten.

Yksittäisten proteiinien rakenneanalyysi ja sekvensointi

Kiinteän olomuodon nanohuokoset voivat auttaa erottamaan proteiinien yleiset ominaisuudet, kuten tilavuuden, dipolin ja muodon. Lisäksi ligandit, kuten biotiini, aptameerit, proteiinidomeenit tai vasta-aineet, voivat sitoutua suoraan biologisiin nanohuokosiin, jopa monimutkaisten väliaineiden, kuten seerumin, läsnä ollessa.

Proteiinien tunnistamisen lisäksi nanohuokoset voivat toimia yksimolekyylisinä sensoreina ja tarjota tietoa proteiinien aktiivisuudesta, dynamiikasta ja konformaatiomuutoksista. Esimerkiksi vangitsemalla proteiinin biologiseen nanohuokoseen tutkijat voivat saada tietoa proteiinin konformaatiomuutoksista ja dynamiikasta sen ollessa nanohuokosessa.

Vaikka nanohuokoset eivät pysty tarjoamaan tietoa yksittäisten entsyymien aktiivisuudesta, ne voivat mahdollisesti seurata tuotteiden muodostumista entsymaattisten reaktioiden jälkeen, varsinkin kun tavanomaisia ​​spektroskooppisia määrityksiä ei ole saatavilla.

Yksimolekyylinen kemia

Biologisia nanohuokosia, jotka on suunniteltu sisältämään reaktiivisia kohtia, kutsutaan proteiininanoreaktoreiksi. Nämä spesifiset nanohuokoset voisivat auttaa analysoimaan nanohuokosen sisäseinään kiinnittyneiden yksittäisten molekyylien sidoksen muodostumista ja sidoksen katkeamista samalla kun ne moduloivat ionivirtaa. Muita nanoreaktoreiden sovelluksia ovat fytokemian analyysi, stereokemialliset muunnokset, polymerointivaiheet ja primäärinen isotooppivaikutus.

Nanohuokoset biologisten prosessien tutkimiseen

Solujen kalvoissa on usean nm:n kokoisia huokosia, jotka toimivat portteina molekyylien kuljetukseen soluosastojen välillä. Jotta voitaisiin paremmin ymmärtää mekanismeja, jotka liittyvät biomolekyylien kuljettamiseen näiden huokosten läpi, ne voitaisiin uuttaa solusta ja telakoida tasomaisiin lipidikalvoihin. Valitettavasti tämä toipumismenetelmä on erittäin vaikea; Siksi nanohuokoset tarjoavat jännittäviä mahdollisuuksia solubiologian tutkimukseen.

Erilaiset nanohuokospohjaiset rakennetut järjestelmät voivat jäljitellä biologisia huokosia in vitro, kuten epäsymmetrisiä solid-state-nanohuokosia, jotka voisivat jäljitellä kytkettäviä ionikanavia ionipumppujen ja ioni- ja pH-säädeltyjen huokosten tutkimiseksi. Lisäksi synteettisiä DNA-origami-huokosia voidaan käyttää myös matkimaan ligandin ohjaamia ionikanavia, kun taas biologiset nanohuokoset voidaan suunnitella matkimaan passiivisia tai aktiivisia kalvonkuljettajia.

Ydinhuokoskompleksia (NPC), suurempi huokos, joka säätelee proteiinien ja RNA:iden kuljetusta soluosastojen välillä, voidaan myös tutkia käyttämällä biomimeettisiä NPC:itä. Vaikka NPC:iden biologisesta toiminnasta on saatavilla laajaa tietoa, biomimeettisiä NPC:itä voidaan käyttää ymmärtämään paremmin näiden biologisten huokosten erityisiä kuljetusominaisuuksia.

Biomarkkerien tunnistaminen ja kvantifiointi

Spesifisten biomarkkerien läsnäolon analysointi biolääketieteellisissä näytteissä, kuten ruumiinnesteissä, kudosbiopsioissa tai muissa biologisissa näytteissä, kuten viruksissa, bakteereissa ja soluviljelmissä, on lukuisia haasteita.

Esimerkiksi näytteiden kohdebiomolekyylejä, joista monet ovat nukleiinihappoja tai proteiineja, voi olla pitoisuuksina, jotka vaihtelevat kymmenistä attomolaareista (10–18 M) subnanomolaariseen alueeseen (10–9 M). Lisäksi tällaiset kliiniset näytteet sisältävät myös useita muita biomolekyylejä, jotka voivat häiritä itse nanohuokosanturia.

Näiden rajoitusten voittamiseksi on kehitetty erilaisia ​​älykkäitä biomäärityksiä ja laitteita, jotka käyttävät nanohuokosten tunnistusteknologiaa kliinisten näytteiden analysointiin. Esimerkiksi uusia mikrofluidilaitteita, jotka on integroitu nanohuokossensoreihin, voidaan mahdollisesti käyttää näytteen valmisteluun tai analyyttipitoisuuksien havaitsemiseen.

Lisäksi erityiset biokemialliset määritykset, jotka perustuvat biologisiin nanohuokosiin, voivat parantaa molekyylispesifisyyttä samalla kun eliminoivat ei-toivotut vuorovaikutukset taustamolekyylien kanssa. Tämä lähestymistapa voi myös vähentää kohdemolekyylien häviämistä näytteen valmistuksen aikana ja varmistaa samalla, että nanohuokos on suojattu mahdolliselta hajoamiselta ympäröivien biomolekyylien vaikutukselta.

Johtopäätökset

Nanohuokosten suunnittelun parannukset mahdollistavat näiden tekniikoiden edistymisen ja tieteellisten haasteiden ratkaisemisen. Lisäksi tutkijat odottavat, että nanohuokoset löytävät uusia sovelluksia monilla alueilla molekyylisensoinnista ja sekvensoinnista kemialliseen katalyysiin ja biofysikaaliseen karakterisointiin.

Viite:

• 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