Daudzi dažādi nanoporu izpētes virzieni un pielietojumi ārpus DNS sekvencēšanas

Daudzi dažādi nanoporu izpētes virzieni un pielietojumi ārpus DNS sekvencēšanas

Pašreizējā Dabas nanotehnoloģijas Pētījumā pētnieki apraksta dažādus nanoporu tehnoloģiju pielietojumus, kas pārsniedz dezoksiribonukleīnskābes (DNS) sekvencēšanu. Jo īpaši pašreizējie pētījumi ir vērsti uz šīs tehnoloģijas sasniegumiem ķīmijā, biofizikā un nanozinātnēs.

Pētījums: Uz nanoporām balstītas tehnoloģijas, kas pārsniedz DNS sekvencēšanu.Fotoattēlu kredīts: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Kas ir nanoporas?

Tradicionālā pielietojumā interesējošās analīti nonāk nanoporā ar pielietotu strāvu, kas maina jonu plūsmu caur nanoporu. Šīs jonu plūsmas izmaiņas atspoguļojas no laika atkarīgā strāvas ierakstā, ko var izmantot, lai molekulārā līmenī noteiktu un raksturotu dažādas biomolekulas, piemēram, DNS, RNS, proteīnus, peptīdus, metabolītus un proteīna-DNS kompleksus.

Konkrētajam pētījumam izmantotais nanoporu veids ir atkarīgs no interesējošās analītas, jo gan nanoporu, gan analizējamo vielu izmēriem jābūt salīdzināmiem, lai radītu reģistrējamas jonu strāvas izmaiņas.

Piemēram, bioloģiskās nanoporas var noteikt biomolekulas ar diametru no -1 līdz 10 nanometriem (nm). Salīdzinājumam, cietvielu nanoporas tiek izmantotas optiskiem lietojumiem, tostarp miljoniem elektronu / jonu, lāzera optiskajai kodināšanai un īpaši plānu cietvielu membrānu dielektriskai sadalīšanai.

Nanoporu pielietojumi

Lai gan sākotnēji nanoporas tika izstrādātas, lai noteiktu jonus un mazas molekulas, īpaši DNS sekvencēšanas nolūkos, šīs tehnoloģijas pielietojums ir ievērojami paplašinājies.

Galvenās nanoporu priekšrocības, kas ir veicinājušas to plašo pielietojumu, ietver to spēju secīgi un lielā ātrumā uztvert atsevišķas molekulas, pārvērst gan analizējamo vielu strukturālās, gan ķīmiskās īpašības izmērāmā jonu strāvā un identificēt sugas bez marķējuma signāla pastiprināšanai.

Atsevišķu proteīnu strukturālā analīze un sekvencēšana

Cietvielu nanoporas var palīdzēt iegūt proteīnu vispārējās īpašības, piemēram, tilpumu, dipolu un formu. Turklāt ligandi, piemēram, biotīns, aptamēri, proteīnu domēni vai antivielas, var tieši saistīties ar bioloģiskām nanoporām pat sarežģītu barotņu, piemēram, seruma, klātbūtnē.

Papildus proteīnu identificēšanai nanoporas var darboties kā vienas molekulas sensori un sniegt informāciju par olbaltumvielu aktivitāti, dinamiku un konformācijas izmaiņām. Piemēram, notverot proteīnu bioloģiskajā nanoporā, pētnieki var iegūt informāciju par proteīna konformācijas izmaiņām un dinamiku, kamēr tas paliek nanoporā.

Lai gan nanoporas nevar sniegt informāciju par atsevišķu enzīmu darbību, tās potenciāli var uzraudzīt produktu veidošanos pēc fermentatīvām reakcijām, īpaši, ja nav pieejami parastie spektroskopiskie testi.

Vienas molekulas ķīmija

Bioloģiskās nanoporas, kas paredzētas reaktīvo vietu saturēšanai, sauc par olbaltumvielu nanoreaktoriem. Šīs specifiskās nanoporas varētu palīdzēt analizēt atsevišķu molekulu, kas pievienotas nanoporas iekšējai sienai, saišu veidošanos un saišu pārraušanas notikumus, vienlaikus modulējot jonu strāvu. Citi nanoreaktoru pielietojumi ietver fitoķīmijas, stereoķīmisko transformāciju, polimerizācijas posmu un primārā izotopu efekta analīzi.

Nanoporas bioloģisko procesu pētīšanai

Šūnu membrānās ir vairākas nm izmēra poras, kas kalpo kā vārti molekulārajai transportēšanai starp šūnu nodalījumiem. Lai labāk izprastu mehānismus, kas saistīti ar biomolekulu transportēšanu caur šīm porām, tās varētu iegūt no šūnas un piestiprināt plakanās lipīdu membrānās. Diemžēl šī atveseļošanās pieeja ir ārkārtīgi sarežģīta; Tāpēc nanoporas piedāvā aizraujošas iespējas šūnu bioloģijas pētīšanai.

Dažādas uz nanoporām balstītas inženierijas sistēmas var imitēt bioloģiskās poras in vitro, piemēram, asimetriskas cietvielu nanoporas, kas varētu atdarināt pārslēdzamos jonu kanālus, lai pētītu jonu sūkņus un jonu un pH kontrolētas poras. Turklāt sintētiskās DNS origami poras var izmantot arī, lai atdarinātu ar ligandu saistītus jonu kanālus, savukārt bioloģiskās nanoporas var veidot, lai atdarinātu pasīvos vai aktīvos membrānas transportētājus.

Kodolporu kompleksu (NPC), lielākas poras, kas regulē proteīnu un RNS transportēšanu starp šūnu nodalījumiem, var arī pētīt, izmantojot biomimētiskos NPC. Lai gan ir pieejama plaša informācija par NPC bioloģisko funkciju, biomimētiskos NPC var izmantot, lai labāk izprastu šo bioloģisko poru īpašās transporta īpašības.

Biomarķieru identifikācija un kvantitatīva noteikšana

Konkrētu biomarķieru klātbūtnes analīze biomedicīnas paraugos, piemēram, ķermeņa šķidrumos, audu biopsijās vai citos bioloģiskos paraugos, piemēram, vīrusos, baktērijās un šūnu kultūrās, rada daudzas problēmas.

Piemēram, mērķa biomolekulas paraugos, no kurām daudzas ir nukleīnskābes vai proteīni, var būt koncentrācijās no desmitiem attomolāru (10–18 M) līdz subnanomolāram diapazonam (10–9 M). Turklāt šādos klīniskajos paraugos ir arī dažādas citas biomolekulas, kas var traucēt pašam nanoporu sensoram.

Lai pārvarētu šos ierobežojumus, ir izstrādātas dažādas viedās biopārbaudes un ierīces, kas izmanto nanoporu noteikšanas tehnoloģiju, lai analizētu klīniskos paraugus. Piemēram, jaunas mikrofluidiskās ierīces, kas integrētas ar nanoporu sensoriem, potenciāli var izmantot paraugu sagatavošanai vai analizējamo vielu koncentrācijas noteikšanai.

Turklāt specifiski bioķīmiskie testi, kuru pamatā ir bioloģiskās nanoporas, var uzlabot molekulāro specifiku, vienlaikus novēršot nevēlamu mijiedarbību ar fona molekulām. Šī pieeja var arī samazināt mērķa molekulu zudumu parauga sagatavošanas laikā, vienlaikus nodrošinot, ka nanopora ir aizsargāta no apkārtējo biomolekulu iespējamās degradācijas.

Secinājumi

Uzlabojumi nanoporu dizainā ļaus šīm tehnoloģijām virzīties uz priekšu un risināt zinātniskās problēmas. Turklāt pētnieki sagaida, ka nanoporas atradīs jaunus pielietojumus plašā diapazonā, sākot no molekulārās noteikšanas un sekvencēšanas līdz ķīmiskajai katalīzei un biofizikālajam raksturojumam.

Atsauce:

• 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