Optofluidic chip med nanopore smart gate udviklet til analyse af enkeltmolekyler

En ny chipbaseret platform udviklet af forskere ved UC Santa Cruz integrerer nanoporer og optofluidisk teknologi med et feedback-kontrolkredsløb for at muliggøre et hidtil uset niveau af kontrol over individuelle molekyler og partikler på en chip til analyse med høj gennemstrømning.

I et papir udgivet 16. august i Naturkommunikation , forskerne rapporterede at bruge enheden til at kontrollere levering af individuelle biomolekyler - herunder ribosomer, DNA, og proteiner-ind i en væskefyldt kanal på chippen. De viste også, at enheden kan bruges til at sortere forskellige typer molekyler, muliggør selektiv analyse af målmolekyler fra en blanding.

Mulighederne ved den programmerbare nanopore-optofluidiske enhed peger vejen mod et nyt forskningsværktøj til enkeltmolekylær analyse med høj gennemstrømning på en chip, sagde Holger Schmidt, Kapany -professoren i optoelektronik ved UC Santa Cruz og tilsvarende forfatter til papiret.

"Vi kan bringe et enkelt molekyle ind i en fluidisk kanal, hvor det derefter kan analyseres ved hjælp af integrerede optiske bølgeledere eller andre teknikker, "Schmidt sagde." Ideen er at introducere en partikel eller et molekyle, hold den i kanalen til analyse, kassér derefter partiklen, og nemt og hurtigt gentage processen med at udvikle robust statistik over mange enkeltmolekyleeksperimenter. "

Den nye enhed bygger på tidligere arbejde fra Schmidts laboratorium og hans samarbejdspartner Aaron Hawkins 'gruppe ved Brigham Young University for at udvikle optofluidic chip -teknologi, der kombinerer mikrofluidik (bittesmå kanaler til håndtering af væskeprøver på en chip) med integreret optik til optisk analyse af enkeltmolekyler. Tilsætning af nanoporer tillader kontrolleret levering af molekyler i kanalen, samt mulighed for at analysere det elektriske signal, der produceres, når et molekyle passerer gennem poren. Dette seneste værk blev ledet af første forfatter Mahmudur Rahman, en kandidatstuderende i Schmidts laboratorium ved UC Santa Cruz.

Nanopore -teknologi er med succes blevet brugt i DNA -sekventeringsapplikationer, og Schmidt og andre forskere har undersøgt nye måder at udnytte informationen i de signaler, der produceres, når molekyler eller partikler translokerer gennem en nanopore.

Med feedback-kontrolsystemet (en mikrokontroller og solid-state-relæ) i den nye enhed, realtidsanalyse af strømmen gør nanoporen til en "smart gate", der kan programmeres af brugeren til at levere molekyler ind i kanalen på en forudbestemt måde. Porten kan lukkes, så snart et enkelt molekyle (eller et hvilket som helst tal, der er angivet af brugeren) er passeret, og åbnede igen efter en bestemt tid.

"Anvendelsen af ​​nanoporer som 'smarte porte' er et vigtigt skridt i retning af et enkeltmolekyle analysesystem, der er brugervenligt og kan arbejde med høj gennemstrømning, "Schmidt sagde." Det tillader brugerprogrammerbar kontrol over antallet af molekyler, der bliver leveret til en fluidisk kanal til yderligere analyse eller behandling, selektiv gating af forskellige typer enkeltmolekyler, og evnen til at levere enkelte molekyler til en chip med rekordhastigheder på mange hundrede i minuttet. "

Ved hjælp af bakterielle (70S) ribosomer, forskerne demonstrerede kontrolleret levering af mere end 500 ribosomer i minuttet. Medforfatter Harry Noller, Sinsheimer -professor i molekylærbiologi ved UC Santa Cruz, har forsket i banebrydende forskning i struktur og funktion af ribosomer, de molekylære maskiner, der syntetiserer proteiner i alle levende celler, og har samarbejdet med Schmidts gruppe siden 2006.

Forskerne brugte også en blanding af DNA og ribosomer til at vise enhedens evne til selektivt at aktivere portfunktionen for et målmolekyle (i dette tilfælde DNA). Dette kan muliggøre, for eksempel, fluorescensforsøg på et kontrolleret antal målmolekyler, mens umærkede partikler ignoreres og kasseres. Selektiv gating kan også bruges til rensning eller sortering af forskellige partikler nedstrøms fra nanoporen, baseret på signalerne, når partiklerne passerer gennem nanoporen, Sagde Schmidt.

Det programmerbare system giver fleksibilitet til en lang række potentielle applikationer, han sagde.