Cum se construiește un biosenzor mai bun “Nanopore”

Cercetătorii au petrecut mai mult de trei decenii dezvoltând și studiind biosenzori miniaturali care pot identifica molecule unice. În cinci până la 10 ani, când astfel de dispozitive pot deveni un element esențial în cabinetele medicilor, pot detecta semne moleculare de cancer și alte boli și pot evalua eficacitatea tratamentului medicamentos pentru combaterea acestor boli.

Pentru a ajuta la realizarea și creșterea acestui lucru precizie și viteza acestor măsurători, oamenii de știință trebuie să găsească modalități de a înțelege mai bine modul în care moleculele interacționează cu acești senzori. Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și Universitatea Commonwealth din Virginia (VCU) au dezvoltat acum o nouă abordare. Ei și-au raportat concluziile într-un număr recent al Progrese în știință.

Echipa și-a construit biosenzorul realizând o versiune artificială a materialului biologic care formează o membrană celulară. Cunoscut sub numele de bistrat lipidic, conține un por mic, cu diametrul de aproximativ 2 nanometri (miliardimi de metru), înconjurat de fluid. Ionii solubili lichizi trec prin nanopori, generând un mic curent electric. Cu toate acestea, atunci când o moleculă de interes intră în membrană, aceasta blochează parțial fluxul de curent. Durata și mărimea acestei blocade servesc drept amprentă, identificând mărimea și proprietățile unei molecule specifice.


Pentru a identifica moleculele, oamenii de știință pot folosi un tip de biosenzor numit nanopore – o mică gaură dintr-o membrană care permite fluidului să curgă prin ea. Când o moleculă de interes intră în por, aceasta blochează parțial fluxul de curent, oferind un semnal pe care cercetătorii îl pot folosi pentru a identifica molecula. Dar pentru a obține o măsurare bună, molecula trebuie să stea în interiorul porilor atât timp cât este nevoie. Cercetătorii NIST folosesc lumina laser pentru a măsura energia moleculelor pe măsură ce trec și intră din nanopori. Informațiile rezultate ar putea ajuta oamenii de știință să proiecteze pori optimizați pentru detectarea moleculelor specifice. Credit: Sean Kelley / Inform Studio

Pentru a face măsurători precise pentru un număr mare de molecule individuale, moleculele de interes trebuie să rămână în nanopore pentru un interval care nu este nici prea lung, nici prea scurt (timpul „Goldilocks”), începând de la 100 milioane până la 10 miimi de secundă. Problema este că majoritatea moleculelor rămân în volumul mic al unui nanopor pentru acest interval de timp dacă nanoporul le ține cumva în poziție. Aceasta înseamnă că mediul nanoporos trebuie să ofere o anumită barieră – de exemplu, adăugarea unei forțe electrostatice sau o modificare a formei nanoporului – care face mai dificilă evacuarea moleculelor.

Energia minimă necesară pentru a sparge bariera variază pentru fiecare tip de moleculă și este esențial ca biosenzorul să funcționeze eficient și precis. Calculul acestei cantități implică măsurarea unor proprietăți în raport cu energia moleculei pe măsură ce se deplasează în interiorul și în afara porilor.

În mod critic, obiectivul este de a măsura dacă interacțiunea dintre moleculă și mediul său apare în primul rând dintr-o legătură chimică sau din capacitatea moleculei de a vibra și de a se deplasa liber pe tot parcursul procesului de captare și eliberare.

Până în prezent, măsurătorile fiabile pentru extragerea acestor componente energetice au lipsit din mai multe motive tehnice. În noul studiu, o echipă condusă de Joseph Robertson de la NIST și Joseph Reiner de la VCU a demonstrat capacitatea de a măsura aceste energii cu o metodă rapidă, bazată pe laser.

Măsurătorile trebuie efectuate la diferite temperaturi, iar sistemul de încălzire cu laser asigură că aceste schimbări de temperatură au loc rapid și reproductibil. Acest lucru permite cercetătorilor să efectueze măsurători în mai puțin de 2 minute, comparativ cu 30 de minute sau mai mult, care altfel ar necesita.

„Fără acest nou dispozitiv de încălzire pe bază de laser, experiența noastră sugerează că măsurători pur și simplu nu se vor face; “Ar fi foarte consumator de timp și costisitor.” “În esență, am dezvoltat un instrument care poate schimba conducta de dezvoltare a senzorilor nanoporoși pentru a reduce rapid ipotezele implicate în detectarea senzorilor”, a adăugat el.

Odată efectuate măsurătorile de energie, acestea pot ajuta la detectarea modului în care o moleculă interacționează cu nanoporul. Oamenii de știință pot folosi apoi aceste informații pentru a determina cele mai bune strategii pentru detectarea moleculelor.

De exemplu, luați în considerare o moleculă care interacționează cu nanoporoasele în primul rând prin interacțiuni chimice – în esență electrostatice -. Pentru a atinge timpul de captare a Goldilocks, cercetătorii au experimentat modificarea nanoporului astfel încât atracția sa electrostatică către molecula țintă să nu fie nici prea puternică, nici prea slabă.

Având în vedere acest obiectiv, cercetătorii au demonstrat metoda cu două peptide mici, lanțuri scurte de compuși care formează elementele constitutive ale proteinelor. Una dintre peptide, angiotensina, stabilizează tensiunea arterială. Cealaltă peptidă, neurotensina, ajută la reglarea dopaminei, un neurotransmițător care afectează starea de spirit și poate juca, de asemenea, un rol în cancerul colorectal. Aceste molecule interacționează cu nanoporii în principal prin forțe electrostatice. Cercetătorii au introdus particule de nanopori de aur în nanopori acoperiți cu un material încărcat care îmbunătățește interacțiunile electrostatice cu moleculele.

Echipa a examinat, de asemenea, o altă moleculă, polietilen glicol, a cărei capacitate de mișcare determină cât timp petrece în nanopori. De obicei, această moleculă poate fi scuturată, rotită și întinsă liber, neîncărcată de mediul său. Pentru a crește timpul de ședere al moleculei din nanopore, cercetătorii au schimbat forma nanoporei, făcând mai dificilă apăsarea moleculei prin cavitatea mică și afară.

„Putem folosi aceste modificări pentru a construi un biosenzor nanopore adaptat pentru a detecta molecule specifice”, spune Robertson. În cele din urmă, un laborator de cercetare poate utiliza un astfel de biosenzor pentru a identifica moleculele biologice de interes sau cabinetul unui medic poate utiliza dispozitivul pentru a identifica markeri pentru boală.

„Măsurătorile noastre oferă un plan pentru modul în care putem modifica interacțiunile porilor, fie prin geometrie sau chimie, fie printr-o combinație a ambelor, pentru a adapta un senzor nanoporos pentru a detecta molecule specifice, numărând un număr mic de molecule sau ambele”, a spus Robertson.

Referință: „Controlul temperaturii pe bază de laser pentru a studia rolurile entropiei și entalpiei în interacțiunile polimer-nanoporoase” de Christopher E. Angevine, Joseph WF Robertson, Amala Dass și Joseph E. Reiner, 21 aprilie 2021, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf5462

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.