Wiele różnych kierunków i zastosowań badań nanoporów poza sekwencjonowaniem DNA

Wiele różnych kierunków i zastosowań badań nanoporów poza sekwencjonowaniem DNA

W aktualnym Nanotechnologia natury W badaniu naukowcy opisują różnorodne zastosowania technologii opartej na nanoporach, które wykraczają poza sekwencjonowanie kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Obecne badania skupiają się w szczególności na postępie tej technologii w chemii, biofizyce i nanonauce.

Badanie: Technologie oparte na nanoporach wykraczające poza sekwencjonowanie DNA.Źródło zdjęcia: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Co to są nanopory?

W tradycyjnym zastosowaniu interesujące anality wchodzą do nanoporu pod przyłożonym prądem, który zmienia przepływ jonów przez nanopor. Ta zmiana strumienia jonów znajduje odzwierciedlenie w zależnym od czasu zapisie prądu, który można wykorzystać do wykrywania i charakteryzowania różnych biomolekuł, takich jak DNA, RNA, białka, peptydy, metabolity i kompleksy białko-DNA na poziomie molekularnym.

Rodzaj nanoporu użytego do konkretnego badania zależy od interesującego analitu, ponieważ zarówno wymiary nanoporu, jak i analitu powinny być porównywalne, aby uzyskać rejestrowaną zmianę prądu jonowego.

Na przykład nanopory biologiczne mogą wykrywać biomolekuły o średnicach w zakresie od -1 do 10 nanometrów (nm). Dla porównania, nanopory w stanie stałym są wykorzystywane do zastosowań optycznych, w tym do zastosowań związanych z milionami elektronów/jonów, trawieniem optycznym za pomocą lasera i rozkładem dielektrycznym ultracienkich membran w stanie stałym.

Zastosowania nanoporów

Chociaż nanopory zostały pierwotnie opracowane do wykrywania jonów i małych cząsteczek, zwłaszcza do celów sekwencjonowania DNA, zastosowania tej technologii znacznie się rozszerzyły.

Kluczowe zalety nanoporów, które przyczyniły się do ich szerokiego zastosowania, obejmują ich zdolność do wychwytywania poszczególnych cząsteczek sekwencyjnie i z dużą szybkością, przekształcania zarówno właściwości strukturalnych, jak i chemicznych analitów w mierzalny prąd jonowy oraz identyfikowania gatunków wolnych od etykiet w celu wzmocnienia sygnału.

Analiza strukturalna i sekwencjonowanie poszczególnych białek

Nanopory w stanie stałym mogą pomóc w wyodrębnieniu ogólnych właściwości białek, takich jak objętość, dipol i kształt. Ponadto ligandy, takie jak biotyna, aptamery, domeny białkowe lub przeciwciała mogą wiązać się bezpośrednio z nanoporami biologicznymi, nawet w obecności złożonych mediów, takich jak surowica.

Oprócz identyfikacji białek nanopory mogą działać jako czujniki jednocząsteczkowe i dostarczać informacji o aktywności białek, dynamice i zmianach konformacyjnych. Na przykład, zatrzymując białko w biologicznym nanoporze, badacze mogą uzyskać informacje o zmianach konformacyjnych i dynamice białka, gdy pozostaje ono w nanoporach.

Chociaż nanopory nie mogą dostarczyć informacji o aktywności poszczególnych enzymów, mogą potencjalnie monitorować powstawanie produktów w wyniku reakcji enzymatycznych, zwłaszcza gdy nie są dostępne konwencjonalne testy spektroskopowe.

Chemia jednocząsteczkowa

Biologiczne nanopory zaprojektowane tak, aby zawierały miejsca reaktywne, nazywane są nanoreaktorami białkowymi. Te specyficzne nanopory mogą pomóc w analizie tworzenia i zrywania wiązań w poszczególnych cząsteczkach przyczepionych do wewnętrznej ścianki nanoporów, jednocześnie modulując prąd jonowy. Inne zastosowania nanoreaktorów obejmują analizę fitochemii, przemian stereochemicznych, etapów polimeryzacji i pierwotnego efektu izotopowego.

Nanopory do badania procesów biologicznych

Komórki mają w swoich błonach pory o wielkości kilku nm, które służą jako bramy do transportu molekularnego pomiędzy przedziałami komórkowymi. Aby lepiej zrozumieć mechanizmy związane z transportem biomolekuł przez te pory, można je wyodrębnić z komórki i umieścić w płaskich błonach lipidowych. Niestety, takie podejście do odzyskiwania jest niezwykle trudne; Dlatego nanopory oferują ekscytujące możliwości badania biologii komórki.

Różne systemy inżynieryjne oparte na nanoporach mogą naśladować pory biologiczne in vitro, takie jak asymetryczne nanopory w stanie stałym, które mogą naśladować przełączalne kanały jonowe w celu badania pomp jonowych oraz porów kontrolowanych pod względem jonów i pH. Co więcej, pory syntetycznego DNA origami można również wykorzystać do naśladowania kanałów jonowych bramkowanych ligandami, podczas gdy nanopory biologiczne można zaprojektować tak, aby naśladowały pasywne lub aktywne transportery błonowe.

Kompleks porów jądrowych (NPC), większy por regulujący transport białek i RNA pomiędzy przedziałami komórkowymi, można również badać za pomocą biomimetycznych NPC. Chociaż dostępne są obszerne informacje na temat biologicznej funkcji NPC, biomimetyczne NPC można wykorzystać do lepszego zrozumienia specyficznych właściwości transportowych tych biologicznych porów.

Identyfikacja i kwantyfikacja biomarkerów

Analiza obecności określonych biomarkerów w próbkach biomedycznych, takich jak płyny ustrojowe, biopsje tkanek lub innych próbkach biologicznych, takich jak wirusy, bakterie i hodowle komórkowe, wiąże się z wieloma wyzwaniami.

Na przykład docelowe biocząsteczki w próbkach, z których wiele to kwasy nukleinowe lub białka, mogą być obecne w stężeniach od kilkudziesięciu atomoli (10–18 M) do zakresu subnanomolowego (10–9 M). Ponadto takie próbki kliniczne zawierają również różne inne biomolekuły, które mogą zakłócać działanie samego czujnika nanoporowego.

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, opracowano różne inteligentne testy biologiczne i urządzenia, które wykorzystują technologię wykrywania nanoporów do analizy próbek klinicznych. Na przykład nowatorskie urządzenia mikroprzepływowe zintegrowane z czujnikami nanoporowymi można potencjalnie wykorzystać do przygotowania próbek lub wykrywania stężeń analitu.

Co więcej, specyficzne testy biochemiczne oparte na nanoporach biologicznych mogą poprawić specyficzność molekularną, eliminując jednocześnie niepożądane interakcje z cząsteczkami tła. Podejście to może również zmniejszyć utratę cząsteczek docelowych podczas przygotowywania próbki, zapewniając jednocześnie ochronę nanoporu przed możliwą degradacją przez otaczające go biomolekuły.

Wnioski

Udoskonalenia w projektowaniu nanoporów umożliwią tym technologiom rozwój i sprostanie wyzwaniom naukowym. Ponadto naukowcy spodziewają się, że nanopory znajdą nowe zastosowania w wielu obszarach, od wykrywania molekularnego i sekwencjonowania po katalizę chemiczną i charakterystykę biofizyczną.

Odniesienie:

• 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