Számos különböző nanopórus kutatási irány és alkalmazás a DNS szekvenáláson túl

Számos különböző nanopórus kutatási irány és alkalmazás a DNS szekvenáláson túl

Egy jelenlegiben Természet nanotechnológia A tanulmányban a kutatók a nanopórusokon alapuló technológia változatos alkalmazásait írják le, amelyek túlmutatnak a dezoxiribonukleinsav (DNS) szekvenálásán. A jelenlegi kutatás különösen ennek a technológiának a kémia, biofizika és nanotudomány terén elért eredményeire összpontosít.

Tanulmány: Nanopórus alapú technológiák a DNS-szekvenáláson túl.Fotó: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Mik azok a nanopórusok?

Hagyományos alkalmazás esetén a kérdéses analitok olyan áram alatt lépnek be a nanopórusba, amely megváltoztatja a nanopóruson áthaladó ionáramlást. Az ionfluxus ezen változása egy időfüggő áramfelvételben tükröződik, amely felhasználható különböző biomolekulák, például DNS, RNS, fehérjék, peptidek, metabolitok és fehérje-DNS komplexek molekuláris szintű kimutatására és jellemzésére.

Az egy adott vizsgálathoz használt nanopórus típusa a kérdéses analittól függ, mivel mind a nanopórusok, mind az analit méretének összehasonlíthatónak kell lennie ahhoz, hogy az ionáramban rögzíthető változás következzen be.

A biológiai nanopórusok például -1 és 10 nanométer (nm) közötti átmérőjű biomolekulákat képesek kimutatni. Összehasonlításképpen, a szilárdtest nanopórusokat optikai alkalmazásokhoz használják, beleértve az elektron/ion milliókat, a lézer alapú optikai maratást és az ultravékony szilárdtest membránok dielektromos lebontását.

A nanopórusok alkalmazásai

Bár a nanopórusokat eredetileg ionok és kis molekulák kimutatására fejlesztették ki, különösen DNS szekvenálási célokra, ennek a technológiának az alkalmazásai jelentősen bővültek.

A széleskörű alkalmazásukhoz hozzájáruló nanopórusok legfontosabb előnyei közé tartozik, hogy képesek egymás után és nagy sebességgel befogni az egyes molekulákat, az analitok szerkezeti és kémiai tulajdonságait egyaránt mérhető ionárammá alakítják, és jelerősítésre alkalmas jelölésmentes fajokat azonosítanak.

Egyedi fehérjék szerkezeti elemzése és szekvenálása

A szilárdtest nanopórusok segíthetnek kivonni a fehérjék általános tulajdonságait, mint például a térfogat, a dipólus és az alak. Ezenkívül a ligandumok, például a biotin, az aptamerek, a fehérjedomének vagy az antitestek közvetlenül kötődhetnek a biológiai nanopórusokhoz, még összetett közegek, például szérum jelenlétében is.

A fehérjék azonosításán túl a nanopórusok egymolekulás szenzorként is működhetnek, és információt szolgáltathatnak a fehérje aktivitásáról, dinamikájáról és konformációs változásokról. Például egy fehérje biológiai nanopórusba való bezárásával a kutatók információt szerezhetnek a fehérje konformációs változásairól és dinamikájáról, amíg az a nanopórusban marad.

Bár a nanopórusok nem tudnak információt szolgáltatni az egyes enzimek aktivitásáról, potenciálisan nyomon követhetik az enzimes reakciókat követő termékek képződését, különösen akkor, ha a hagyományos spektroszkópiai vizsgálatok nem állnak rendelkezésre.

Egymolekulás kémia

A reaktív helyek befogadására tervezett biológiai nanopórusokat protein nanoreaktoroknak nevezzük. Ezek a specifikus nanopórusok segíthetnek elemezni a nanopórusok belső falához kapcsolódó egyes molekulák kötésképződését és kötésszakadási eseményeit, miközben modulálják az ionáramot. A nanoreaktorok egyéb alkalmazásai közé tartozik a fitokémia, a sztereokémiai átalakulások, a polimerizációs lépések és az elsődleges izotóphatás elemzése.

Nanopórusok biológiai folyamatok tanulmányozására

A sejtek membránjában több nm-es pórus található, amelyek kapuként szolgálnak a sejtkompartmentek közötti molekuláris transzporthoz. A biomolekulák ezeken a pórusokon keresztül történő szállításában szerepet játszó mechanizmusok jobb megértése érdekében ki lehet őket vonni a sejtből, és sík lipidmembránokba illeszteni. Sajnos ez a helyreállítási megközelítés rendkívül nehéz; Ezért a nanopórusok izgalmas lehetőségeket kínálnak a sejtbiológia tanulmányozására.

Különféle nanopórusokon alapuló mérnöki rendszerek utánozhatják a biológiai pórusokat in vitro, például az aszimmetrikus szilárdtest nanopórusokat, amelyek utánozhatják a kapcsolható ioncsatornákat az ionpumpák és az ion- és pH-szabályozott pórusok tanulmányozásához. Ezenkívül a szintetikus DNS-origami pórusok a ligand-kapu ioncsatornák utánzására is használhatók, míg a biológiai nanopórusok passzív vagy aktív membrántranszporterek utánzására is alkalmasak.

A nukleáris pórus komplex (NPC), egy nagyobb pórus, amely szabályozza a fehérjék és RNS-ek sejtkompartmentek közötti szállítását, szintén tanulmányozható biomimetikus NPC-k segítségével. Bár az NPC-k biológiai funkciójáról kiterjedt információ áll rendelkezésre, a biomimetikus NPC-k felhasználhatók e biológiai pórusok specifikus transzport tulajdonságainak jobb megértésére.

Biomarkerek azonosítása és mennyiségi meghatározása

A specifikus biomarkerek jelenlétének elemzése orvosbiológiai mintákban, például testnedvekben, szövetbiopsziákban vagy más biológiai mintákban, például vírusokban, baktériumokban és sejttenyészetekben, számos kihívást jelent.

Például a mintákban található célbiomolekulák, amelyek közül sok nukleinsav vagy fehérje, több tíz atommoláristól (10–18 M) a szubnanomoláris tartományig (10–9 M) terjedő koncentrációban lehetnek jelen. Ezenkívül az ilyen klinikai minták különféle más biomolekulákat is tartalmaznak, amelyek zavarhatják magát a nanopórus-érzékelőt.

E korlátok leküzdésére különféle intelligens biológiai teszteket és eszközöket fejlesztettek ki, amelyek nanopórusérzékelő technológiát alkalmaznak a klinikai minták elemzésére. Például a nanopórusos érzékelőkkel integrált új mikrofluidikus eszközök potenciálisan felhasználhatók minta-előkészítésre vagy az analitkoncentráció kimutatására.

Ezenkívül a biológiai nanopórusokon alapuló specifikus biokémiai vizsgálatok javíthatják a molekuláris specifitást, miközben kiküszöbölik a háttérmolekulákkal való nem kívánt kölcsönhatásokat. Ez a megközelítés csökkentheti a célmolekulák veszteségét is a minta-előkészítés során, miközben biztosítja, hogy a nanopórus védve legyen a környező biomolekulák általi esetleges lebomlástól.

Következtetések

A nanopórusok kialakításának fejlesztése lehetővé teszi ezeknek a technológiáknak a fejlődést és a tudományos kihívások kezelését. Emellett a kutatók arra számítanak, hogy a nanopórusok a molekuláris érzékeléstől és szekvenálástól kezdve a kémiai katalízisig és a biofizikai jellemzésig számos területen találnak majd újszerű alkalmazásokat.

Referencia:

• 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