Multe direcții de cercetare și aplicații diferite ale nanoporilor dincolo de secvențierea ADN-ului

Multe direcții de cercetare și aplicații diferite ale nanoporilor dincolo de secvențierea ADN-ului

Într-una actuală Nanotehnologia naturii În studiu, cercetătorii descriu diverse aplicații ale tehnologiei bazate pe nanopori, care merg dincolo de secvențierea acidului dezoxiribonucleic (ADN). În special, cercetările actuale se concentrează pe progresele acestei tehnologii în chimie, biofizică și nanoștiință.

Studiu: Tehnologii bazate pe nanopori dincolo de secvențierea ADN-ului.Credit foto: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Ce sunt nanoporii?

Într-o aplicație tradițională, analiții de interes intră în nanopor sub un curent aplicat care modifică fluxul de ioni prin nanopor. Această modificare a fluxului de ioni se reflectă într-o înregistrare curentă dependentă de timp, care poate fi utilizată pentru a detecta și caracteriza diverse biomolecule precum ADN, ARN, proteine, peptide, metaboliți și complexe proteină-ADN la nivel molecular.

Tipul de nanopor utilizat pentru un anumit studiu depinde de analitul de interes, deoarece atât dimensiunile nanoporului, cât și cele ale analitului ar trebui să fie comparabile pentru a produce o schimbare care poate fi înregistrată a curentului ionic.

De exemplu, nanoporii biologici pot detecta biomolecule cu diametre cuprinse între -1 și 10 nanometri (nm). În comparație, nanoporii în stare solidă sunt utilizați pentru aplicații optice, inclusiv milioane de electroni/ioni, gravare optică pe bază de laser și defalcare dielectrică a membranelor ultrasubțiri în stare solidă.

Aplicații ale nanoporilor

Deși nanoporii au fost dezvoltați inițial pentru a detecta ioni și molecule mici, în special în scopul secvențialării ADN-ului, aplicațiile acestei tehnologii s-au extins semnificativ.

Avantajele cheie ale nanoporilor care au contribuit la aplicarea lor largă includ capacitatea lor de a capta molecule individuale secvențial și la viteză mare, de a converti atât proprietățile structurale, cât și cele chimice ale analiților într-un curent ionic măsurabil și de a identifica speciile fără etichete pentru amplificarea semnalului.

Analiza structurală și secvențierea proteinelor individuale

Nanoporii în stare solidă pot ajuta la extragerea proprietăților generale ale proteinelor, cum ar fi volumul, dipolul și forma. Mai mult, liganzi precum biotina, aptamerii, domeniile proteice sau anticorpii se pot lega direct la nanoporii biologici, chiar și în prezența unor medii complexe, cum ar fi serul.

Pe lângă identificarea proteinelor, nanoporii pot acționa ca senzori cu o singură moleculă și pot oferi informații despre activitatea proteinelor, dinamica și modificările conformaționale. De exemplu, prin captarea unei proteine ​​într-un nanopor biologic, cercetătorii pot obține informații despre modificările conformaționale și dinamica proteinei în timp ce aceasta rămâne în nanopor.

Deși nanoporii nu pot oferi informații despre activitățile enzimelor individuale, aceștia pot monitoriza formarea de produse în urma reacțiilor enzimatice, mai ales atunci când testele spectroscopice convenționale nu sunt disponibile.

Chimie cu o singură moleculă

Nanoporii biologici proiectați să conțină site-uri reactive se numesc nanoreactoare proteice. Acești nanopori specifici ar putea ajuta la analizarea formării legăturilor și a evenimentelor de rupere a legăturilor ale moleculelor individuale atașate la peretele interior al unui nanopor în timp ce modulează curentul ionic. Alte aplicații ale nanoreactoarelor includ analiza fitochimiei, transformările stereochimice, etapele de polimerizare și un efect de izotop primar.

Nanopori pentru studiul proceselor biologice

Celulele au mai mulți pori de dimensiunea nm în membranele lor care servesc drept porți pentru transportul molecular între compartimentele celulare. Pentru a înțelege mai bine mecanismele implicate în transportul biomoleculelor prin acești pori, acestea ar putea fi extrase din celulă și fixate în membranele lipidice plane. Din păcate, această abordare de recuperare este extrem de dificilă; Prin urmare, nanoporii oferă oportunități interesante pentru studiul biologiei celulare.

Diverse sisteme proiectate pe bază de nanopori pot imita porii biologici in vitro, cum ar fi nanoporii asimetrici în stare solidă care ar putea imita canalele ionice comutabile pentru a studia pompele ionice și porii controlați de ioni și pH. În plus, porii de origami ADN sintetic pot fi utilizați și pentru a imita canalele ionice dependente de liganzi, în timp ce nanoporii biologici pot fi proiectați pentru a imita transportorii membranari pasivi sau activi.

Complexul de pori nucleari (NPC), un por mai mare care reglează transportul proteinelor și ARN-urilor între compartimentele celulare, poate fi, de asemenea, studiat folosind NPC-uri biomimetice. Deși sunt disponibile informații extinse despre funcția biologică a NPC-urilor, NPC-urile biomimetice pot fi folosite pentru a înțelege mai bine proprietățile specifice de transport ale acestor pori biologici.

Identificarea și cuantificarea biomarkerilor

Analiza prezenței biomarkerilor specifici în probele biomedicale, cum ar fi fluidele corporale, biopsiile de țesut sau alte probe biologice, cum ar fi viruși, bacterii și culturi celulare, prezintă numeroase provocări.

De exemplu, biomoleculele țintă din probe, dintre care multe sunt acizi nucleici sau proteine, pot fi prezente la concentrații variind de la zeci de atomolari (10-18 M) la intervalul subnanomolar (10-9 M). În plus, astfel de probe clinice conțin și diverse alte biomolecule care pot interfera cu senzorul nanopor în sine.

Pentru a depăși aceste limitări, au fost dezvoltate diverse biotesturi și dispozitive inteligente care utilizează tehnologia de detectare a nanoporilor pentru a analiza probe clinice. De exemplu, noi dispozitive microfluidice integrate cu senzori cu nanopori pot fi utilizate pentru prepararea probelor sau detectarea concentrațiilor de analiți.

În plus, testele biochimice specifice bazate pe nanopori biologici pot îmbunătăți specificitatea moleculară, eliminând în același timp interacțiunile nedorite cu moleculele de fond. Această abordare poate reduce, de asemenea, pierderea de molecule țintă în timpul preparării probei, asigurând în același timp că nanoporul este protejat de o posibilă degradare de către biomoleculele din jur.

Concluzii

Îmbunătățirile în proiectarea nanoporilor vor permite acestor tehnologii să avanseze și să abordeze provocările științifice. În plus, cercetătorii se așteaptă ca nanoporii să găsească aplicații noi într-o gamă largă de domenii, de la detectarea moleculară și secvențierea până la cataliză chimică și caracterizarea biofizică.

Referinţă:

• 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