Många olika nanoporforskningsriktningar och tillämpningar bortom DNA-sekvensering

Många olika nanoporforskningsriktningar och tillämpningar bortom DNA-sekvensering

I en aktuell Naturens nanoteknik I studien beskriver forskare olika tillämpningar av nanoporbaserad teknologi som går utöver deoxiribonukleinsyra (DNA) sekvensering. I synnerhet fokuserar aktuell forskning på framstegen med denna teknik inom kemi, biofysik och nanovetenskap.

Studera: Nanopore-baserade teknologier bortom DNA-sekvensering.Fotokredit: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Vad är nanoporer?

I en traditionell tillämpning kommer analyterna av intresse in i nanoporen under en applicerad ström som ändrar jonflödet genom nanoporen. Denna förändring i jonflöde återspeglas i en tidsberoende strömregistrering, som kan användas för att detektera och karakterisera olika biomolekyler såsom DNA, RNA, proteiner, peptider, metaboliter och protein-DNA-komplex på molekylär nivå.

Vilken typ av nanopore som används för en viss studie beror på analyten av intresse, eftersom både nanopore- och analytdimensionerna bör vara jämförbara för att producera en registrerbar förändring i jonström.

Till exempel kan biologiska nanoporer detektera biomolekyler med diametrar från -1 till 10 nanometer (nm). Som jämförelse används solid-state nanopores för optiska applikationer inklusive elektron/jon miljoner, laserbaserad optisk etsning och dielektrisk nedbrytning av ultratunna solid state-membran.

Tillämpningar av nanoporer

Även om nanoporer ursprungligen utvecklades för att upptäcka joner och små molekyler, särskilt för DNA-sekvenseringsändamål, har tillämpningarna av denna teknologi utökats avsevärt.

De viktigaste fördelarna med nanoporer som har bidragit till deras breda tillämpning inkluderar deras förmåga att fånga individuella molekyler sekventiellt och med hög hastighet, omvandla både de strukturella och kemiska egenskaperna hos analyter till en mätbar jonström och identifiera etikettfria arter för signalförstärkning.

Strukturanalys och sekvensering av enskilda proteiner

Nanoporer i fast tillstånd kan hjälpa till att extrahera de allmänna egenskaperna hos proteiner som volym, dipol och form. Vidare kan ligander såsom biotin, aptamerer, proteindomäner eller antikroppar binda direkt till biologiska nanoporer, även i närvaro av komplexa medier såsom serum.

Förutom att identifiera proteiner kan nanoporer fungera som enmolekylära sensorer och ge information om proteinaktivitet, dynamik och konformationsförändringar. Till exempel, genom att fånga ett protein i en biologisk nanopor, kan forskare få information om proteinets konformationsförändringar och dynamik medan det förblir i nanoporen.

Även om nanoporer inte kan ge information om enskilda enzymers aktiviteter, kan de potentiellt övervaka bildandet av produkter efter enzymatiska reaktioner, särskilt när konventionella spektroskopiska analyser inte är tillgängliga.

En molekyl kemi

Biologiska nanoporer utformade för att innehålla reaktiva platser kallas proteinnanoreaktorer. Dessa specifika nanoporer kan hjälpa till att analysera bindningsbildning och bindningsbrytande händelser för enskilda molekyler fästa vid den inre väggen av en nanopor samtidigt som de modulerar jonströmmen. Andra tillämpningar av nanoreaktorer inkluderar analys av fytokemi, stereokemiska transformationer, polymerisationssteg och en primär isotopeffekt.

Nanoporer för att studera biologiska processer

Celler har flera nm-stora porer i sina membran som fungerar som portar för molekylär transport mellan cellavdelningar. För att bättre förstå mekanismerna som är involverade i att transportera biomolekyler genom dessa porer, kunde de extraheras från cellen och dockas i plana lipidmembran. Tyvärr är denna återhämtningsmetod extremt svår; Därför erbjuder nanoporer spännande möjligheter för studier av cellbiologi.

Olika nanoporbaserade konstruerade system kan efterlikna biologiska porer in vitro, såsom asymmetriska fasta nanoporer som kan efterlikna omkopplingsbara jonkanaler för att studera jonpumpar och jon- och pH-kontrollerade porer. Dessutom kan syntetiska DNA-origamiporer också användas för att efterlikna ligandstyrda jonkanaler, medan biologiska nanoporer kan utformas för att efterlikna passiva eller aktiva membrantransportörer.

Nuclear Pore Complex (NPC), en större por som reglerar transporten av proteiner och RNA mellan cellulära avdelningar, kan också studeras med hjälp av biomimetiska NPC. Även om omfattande information om den biologiska funktionen hos NPC:er finns tillgänglig, kan biomimetiska NPC:er användas för att bättre förstå de specifika transportegenskaperna hos dessa biologiska porer.

Identifiering och kvantifiering av biomarkörer

Att analysera förekomsten av specifika biomarkörer i biomedicinska prover som kroppsvätskor, vävnadsbiopsier eller andra biologiska prover som virus, bakterier och cellkulturer innebär många utmaningar.

Till exempel kan målbiomolekyler i prover, av vilka många är nukleinsyror eller proteiner, finnas närvarande i koncentrationer som sträcker sig från tiotals attomolära (10–18 M) till det subnanomolära området (10–9 M). Dessutom innehåller sådana kliniska prover också olika andra biomolekyler som kan störa själva nanoporsensorn.

För att övervinna dessa begränsningar har olika smarta bioanalyser och enheter utvecklats som använder nanoporavkänningsteknologi för att analysera kliniska prover. Till exempel kan nya mikrofluidiska enheter integrerade med nanoporsensorer potentiellt användas för provberedning eller detektion av analytkoncentrationer.

Dessutom kan specifika biokemiska analyser baserade på biologiska nanoporer förbättra molekylär specificitet samtidigt som man eliminerar oönskade interaktioner med bakgrundsmolekyler. Detta tillvägagångssätt kan också minska förlusten av målmolekyler under provberedningen samtidigt som man säkerställer att nanoporen skyddas från eventuell nedbrytning av omgivande biomolekyler.

Slutsatser

Förbättringar i nanopordesign kommer att göra det möjligt för dessa teknologier att avancera och hantera vetenskapliga utmaningar. Dessutom förväntar sig forskarna att nanoporer kommer att hitta nya tillämpningar inom ett brett spektrum av områden, från molekylär avkänning och sekvensering till kemisk katalys och biofysisk karakterisering.

Hänvisning:

• 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