Viele verschiedene Nanoporen-Forschungsrichtungen und -Anwendungen über die DNA-Sequenzierung hinaus

In einem aktuellen Natur-Nanotechnologie In der Studie beschreiben Forscher vielfältige Anwendungen nanoporenbasierter Technologie, die über die Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Sequenzierung hinausgehen. Insbesondere konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Fortschritte dieser Technologie in der Chemie, Biophysik und Nanowissenschaften.

Studie: Nanoporenbasierte Technologien über die DNA-Sequenzierung hinaus. Bildnachweis: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Was sind Nanoporen?

Bei einer herkömmlichen Anwendung dringen die interessierenden Analyten unter einem angelegten Strom in die Nanopore ein, der den Ionenfluss durch die Nanopore verändert. Diese Änderung des Ionenflusses spiegelt sich in einer zeitabhängigen Stromaufzeichnung wider, die zur Erkennung und Charakterisierung verschiedener Biomoleküle wie DNA, RNA, Proteine, Peptide, Metaboliten und Protein-DNA-Komplexe auf molekularer Ebene verwendet werden kann.

Der für eine bestimmte Studie verwendete Nanoporentyp hängt vom interessierenden Analyten ab, da sowohl die Nanoporen- als auch die Analytdimensionen vergleichbar sein sollten, um eine aufzeichnungsfähige Änderung des Ionenstroms zu erzeugen.

Biologische Nanoporen können beispielsweise Biomoleküle mit Durchmessern im Bereich von -1 bis 10 Nanometern (nm) erkennen. Im Vergleich dazu werden Festkörpernanoporen für optische Anwendungen verwendet, darunter Elektronen-/Ionen-Millionen, laserbasiertes optisches Ätzen und den dielektrischen Durchbruch ultradünner Festkörpermembranen.

Anwendungen von Nanoporen

Obwohl Nanoporen ursprünglich zur Erkennung von Ionen und kleinen Molekülen, insbesondere für DNA-Sequenzierungszwecke, entwickelt wurden, haben sich die Anwendungen dieser Technologie erheblich ausgeweitet.

Zu den wichtigsten Vorteilen von Nanoporen, die zu ihrer breiten Anwendung beigetragen haben, gehört ihre Fähigkeit, einzelne Moleküle nacheinander und mit hoher Geschwindigkeit einzufangen, sowohl die strukturellen als auch chemischen Eigenschaften von Analyten in einen messbaren Ionenstrom umzuwandeln und markierungsfreie Spezies zu identifizieren Signalverstärkung.

Strukturanalyse und Sequenzierung einzelner Proteine

Festkörper-Nanoporen können dabei helfen, die allgemeinen Eigenschaften von Proteinen wie Volumen, Dipol und Form zu extrahieren. Darüber hinaus können Liganden wie Biotin, Aptamere, Proteindomänen oder Antikörper direkt an biologische Nanoporen binden, selbst in Gegenwart komplexer Medien wie Serum.

Neben der Identifizierung von Proteinen können Nanoporen als Einzelmolekülsensoren fungieren und Informationen über die Aktivität, Dynamik und Konformationsänderungen von Proteinen liefern. Durch das Einschließen eines Proteins in einer biologischen Nanopore können Forscher beispielsweise Informationen über die Konformationsänderungen und die Dynamik des Proteins erhalten, während es in der Nanopore verbleibt.

Obwohl Nanoporen keine Informationen über die Aktivitäten einzelner Enzyme liefern können, können sie möglicherweise die Bildung von Produkten nach enzymatischen Reaktionen überwachen, insbesondere wenn herkömmliche spektroskopische Tests nicht verfügbar sind.

Einzelmolekülchemie

Biologische Nanoporen, die so gestaltet sind, dass sie reaktive Stellen enthalten, werden als Protein-Nanoreaktoren bezeichnet. Diese spezifischen Nanoporen könnten bei der Analyse von Bindungsbildungs- und Bindungsbruchereignissen einzelner Moleküle helfen, die an der Innenwand einer Nanopore haften, während sie den Ionenstrom modulieren. Weitere Anwendungen von Nanoreaktoren umfassen die Analyse der Phytochemie, stereochemischer Umwandlungen, Polymerisationsschritte und eines primären Isotopeneffekts.

Nanoporen zur Untersuchung biologischer Prozesse

Zellen verfügen über mehrere nm große Poren in ihren Membranen, die als Tore für den molekularen Transport zwischen Zellkompartimenten dienen. Um die Mechanismen beim Transport von Biomolekülen durch diese Poren besser zu verstehen, könnten sie aus der Zelle extrahiert und in planare Lipidmembranen angedockt werden. Leider ist dieser Wiederherstellungsansatz äußerst schwierig; Daher bieten Nanoporen spannende Möglichkeiten für das Studium der Zellbiologie.

Verschiedene technische Systeme auf Nanoporenbasis können biologische Poren in vitro nachahmen, beispielsweise asymmetrische Festkörpernanoporen, die schaltbare Ionenkanäle nachahmen könnten, um Ionenpumpen sowie ionen- und pH-gesteuerte Poren zu untersuchen. Darüber hinaus können synthetische DNA-Origami-Poren auch zur Nachahmung ligandengesteuerter Ionenkanäle verwendet werden, während biologische Nanoporen so gestaltet werden können, dass sie passive oder aktive Membrantransporter nachahmen.

Der Kernporenkomplex (NPC), eine größere Pore, die den Transport von Proteinen und RNAs zwischen Zellkompartimenten reguliert, kann auch mithilfe biomimetischer NPCs untersucht werden. Obwohl umfangreiche Informationen über die biologische Funktion von NPCs verfügbar sind, können biomimetische NPCs verwendet werden, um die spezifischen Transporteigenschaften dieser biologischen Poren besser zu verstehen.

Identifizierung und Quantifizierung von Biomarkern

Die Analyse des Vorhandenseins spezifischer Biomarker in biomedizinischen Proben wie Körperflüssigkeiten, Gewebebiopsien oder anderen biologischen Proben wie Viren, Bakterien und Zellkulturen ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden.

Beispielsweise können Zielbiomoleküle in Proben, von denen viele Nukleinsäuren oder Proteine ​​sind, in Konzentrationen im Bereich von mehreren zehn Attomolaren (10–18 M) bis zum subnanomolaren Bereich (10–9 M) vorhanden sein. Darüber hinaus enthalten solche klinischen Proben auch verschiedene andere Biomoleküle, die den Nanoporensensor selbst stören können.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden verschiedene intelligente Bioassays und Geräte entwickelt, die die Nanoporen-Sensortechnologie nutzen, um klinische Proben zu analysieren. Beispielsweise können neuartige Mikrofluidikgeräte, die mit Nanoporensensoren integriert sind, möglicherweise zur Probenvorbereitung oder zum Nachweis von Analytkonzentrationen verwendet werden.

Darüber hinaus können spezifische biochemische Tests auf Basis biologischer Nanoporen die molekulare Spezifität verbessern und gleichzeitig unerwünschte Wechselwirkungen mit Hintergrundmolekülen eliminieren. Dieser Ansatz kann auch den Verlust von Zielmolekülen während der Probenvorbereitung reduzieren und gleichzeitig sicherstellen, dass die Nanopore vor einem möglichen Abbau durch umgebende Biomoleküle geschützt ist.

Schlussfolgerungen

Durch Verbesserungen des Nanoporendesigns werden sich diese Technologien weiterentwickeln und wissenschaftliche Herausforderungen bewältigen. Darüber hinaus gehen Forscher davon aus, dass Nanoporen neuartige Anwendungen in einem breiten Spektrum von Bereichen finden werden, von der molekularen Sensorik und Sequenzierung bis hin zur chemischen Katalyse und biophysikalischen Charakterisierung.

Referenz:

• 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