Temp-kontrollerede nanoporer kan muliggøre detaljeret blodanalyse

(Phys.org) - Små biomolekylære kamre kaldet nanoporer, der kan opvarmes selektivt, kan hjælpe læger med at diagnosticere sygdomme mere effektivt, hvis nyere forskning foretaget af et team ved National Institute of Standards and Technology (NIST), Wheaton College, og Virginia Commonwealth University (VCU) viser sig at være effektive. Selvom resultaterne kan være år væk fra ansøgning i klinikken, de kan en dag forbedre lægernes evne til hurtigt at søge i blodbanen efter indikatorer for sygdom - et mangeårigt mål for medicinsk forskning.

Teamet har været banebrydende inden for arbejdet med brugen af ​​nanoporer - bittesmå kamre, der efterligner ionkanalerne i cellemembraner - til påvisning og identifikation af en lang række molekyler, herunder DNA. Ionkanaler er de gateways, hvormed cellen optager og udviser materialer som proteiner, ioner og nukleinsyrer. Den typiske ionkanal er så lille, at kun et molekyle kan passe ind ad gangen.

Tidligere har teammedlemmer indsatte en nanopore i en kunstig cellemembran, som de placerede mellem to elektroder. Med denne opsætning, de kunne drive individuelle molekyler ind i nanoporen og fange dem der i et par millisekunder, nok til at udforske nogle af deres fysiske egenskaber.

"Et enkelt molekyle skaber en markant ændring i strøm, der strømmer gennem poren, som giver os mulighed for at måle molekylets masse og elektriske ladning med høj nøjagtighed, "siger Joseph Reiner, en fysiker på VCU, der tidligere arbejdede hos NIST. "Dette muliggør diskrimination mellem forskellige molekyler i høj opløsning. Men for medicinsk arbejde i virkeligheden, læger og klinikere har brug for endnu mere avanceret målekapacitet. "

Et mål med teamets arbejde er at differentiere mellem ikke bare flere typer molekyler, men blandt de mange tusinde forskellige proteiner og andre biomarkører i vores blodbaner. For eksempel, ændringer i proteinniveauer kan indikere begyndelsen af ​​sygdom, men med så mange lignende molekyler i blandingen, det er vigtigt ikke at tage fejl af hinanden. Så teamet udvidede deres målekapacitet ved at vedhæfte guldnanopartikler til konstruerede nanoporer, "som giver et andet middel til at skelne mellem forskellige molekylære arter via temperaturkontrol, "Siger Reiner.

Teamet fastgjorde guldnanopartikler til nanoporen via tinder lavet af komplementære DNA -tråde. Gulds evne til at absorbere lys og hurtigt omdanne sin energi til varme, der leder ind i den tilstødende løsning, gør det muligt for teamet at ændre temperaturen på nanoporen med en laser efter behag, dynamisk ændring af den måde, individuelle molekyler interagerer med det.

"Historisk set pludselige temperaturændringer blev brugt til at bestemme hastighederne for kemiske reaktioner, der tidligere ikke var tilgængelige for måling, "siger NIST -biofysiker John Kasianowicz." Evnen til hurtigt at ændre temperaturer i mængder, der svarer til størrelsen af ​​enkelte molekyler, vil muliggøre adskillelse af subtilt forskellige arter. Dette vil ikke kun hjælpe med at opdage og identificere biomarkører, det vil også hjælpe med at udvikle en dybere forståelse af termodynamiske og kinetiske processer i enkeltmolekyler. "

Teamet undersøger måder at forbedre halvlederbaserede nanoporer, hvilket yderligere kunne udvide denne nye målekapacitet.