Undersøgelse foreslår, hvordan man bygger en bedre nanopore biosensor

Forskere har brugt mere end tre årtier på at udvikle og studere miniature biosensorer, der kan identificere enkelte molekyler. Om 5 til 10 år, når sådanne anordninger kan blive en fast bestanddel på lægekontorer, de kunne opdage molekylære markører for kræft og andre sygdomme og vurdere effektiviteten af ​​lægemiddelbehandling til at bekæmpe disse sygdomme.

For at hjælpe med at få det til at ske og for at øge nøjagtigheden og hastigheden af ​​disse målinger, videnskabsmænd skal finde måder til bedre at forstå, hvordan molekyler interagerer med disse sensorer. Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og Virginia Commonwealth University (VCU) har nu udviklet en ny tilgang. De rapporterede deres resultater i det aktuelle nummer af Videnskabens fremskridt.

Holdet byggede sin biosensor ved at lave en kunstig version af det biologiske materiale, der danner en cellemembran. Kendt som et lipid-dobbeltlag, den indeholder en lille pore, omkring 2 nanometer (milliarddele af en meter) bred i diameter, omgivet af væske. Ioner, der er opløst i væsken, passerer gennem nanoporen, generere en lille elektrisk strøm. Imidlertid, når et molekyle af interesse drives ind i membranen, det blokerer delvist for strømmen. Varigheden og omfanget af denne blokade tjener som et fingeraftryk, identificere størrelsen og egenskaberne af et specifikt molekyle.

For at foretage nøjagtige målinger for et stort antal individuelle molekyler, molekylerne af interesse skal forblive i nanoporen i et interval, der hverken er for langt eller for kort ("Guldlok"-tiden), spænder fra 100 milliontedele til 10 tusindedele af et sekund. Problemet er, at de fleste molekyler kun forbliver i det lille volumen af ​​en nanopore i dette tidsinterval, hvis nanoporen på en eller anden måde holder dem på plads. Det betyder, at nanoporemiljøet skal udgøre en vis barriere – f.eks. tilføjelsen af ​​en elektrostatisk kraft eller en ændring i nanoporens form - det gør det sværere for molekylerne at undslippe.

Den minimale energi, der kræves for at bryde barrieren, er forskellig for hver type molekyle og er afgørende for, at biosensoren fungerer effektivt og præcist. Beregning af denne mængde involverer måling af flere egenskaber relateret til molekylets energi, når det bevæger sig ind og ud af poren.

Kritisk, målet er at måle, om interaktionen mellem molekylet og dets miljø primært opstår fra en kemisk binding eller fra molekylets evne til at vrikke og bevæge sig frit gennem hele indfangnings- og frigivelsesprocessen.

Indtil nu, pålidelige målinger til at udvinde disse energiske komponenter har manglet af en række tekniske årsager. I den nye undersøgelse, et team ledet af Joseph Robertson fra NIST og Joseph Reiner fra VCU demonstrerede evnen til at måle disse energier med en hurtig, laserbaseret opvarmningsmetode.

Målingerne skal udføres ved forskellige temperaturer, og laservarmesystemet sikrer, at disse temperaturændringer sker hurtigt og reproducerbart. Det gør det muligt for forskere at gennemføre målinger på mindre end 2 minutter, i forhold til de 30 minutter eller mere, det ellers ville kræve.

"Uden dette nye laserbaserede varmeværktøj, vores erfaring tyder på, at målingerne simpelthen ikke vil blive udført; de ville være for tidskrævende og dyre, " sagde Robertson. "I bund og grund, vi har udviklet et værktøj, der kan ændre udviklingspipelinen for nanopore-sensorer for hurtigt at reducere gætværket involveret i sensoropdagelse, " han tilføjede.

Når energimålingerne er udført, de kan hjælpe med at afsløre, hvordan et molekyle interagerer med nanoporen. Forskere kan derefter bruge disse oplysninger til at bestemme de bedste strategier til påvisning af molekyler.

For eksempel, overveje et molekyle, der interagerer med nanoporen primært gennem kemiske - i det væsentlige elektrostatiske - interaktioner. For at opnå Goldilocks fangetid, forskerne eksperimenterede med at modificere nanoporen, så dens elektrostatiske tiltrækning til målmolekylet hverken var for stærk eller for svag.

Med dette mål for øje, forskerne demonstrerede metoden med to små peptider, korte kæder af forbindelser, der danner byggestenene i proteiner. Et af peptiderne, angiotensin, stabiliserer blodtrykket. Det andet peptid, neurotensin, hjælper med at regulere dopamin, en neurotransmitter, der påvirker humøret og kan også spille en rolle ved tyktarmskræft. Disse molekyler interagerer med nanoporer primært gennem elektrostatiske kræfter. Forskerne indsatte i nanopore guld nanopartikler dækket med et ladet materiale, der booster de elektrostatiske interaktioner med molekylerne.

Holdet undersøgte også et andet molekyle, Polyethylenglycol, hvis evne til at bevæge sig bestemmer, hvor meget tid den tilbringer i nanopore. Normalt, dette molekyle kan vrikke, rotere og strække frit, uhindret af sit miljø. For at øge molekylets opholdstid i nanoporen, forskerne ændrede nanoporens form, gør det sværere for molekylet at presse sig gennem det lille hulrum og komme ud.

"Vi kan udnytte disse ændringer til at bygge en nanopore biosensor, der er skræddersyet til at detektere specifikke molekyler, " siger Robertson. I sidste ende, et forskningslaboratorium kunne bruge en sådan biosensor til at identificere biologiske molekyler af interesse, eller et lægekontor kunne bruge enheden til at identificere markører for sygdom.

"Vores målinger giver en plan for, hvordan vi kan ændre porernes interaktioner, om det er gennem geometri eller kemi, eller en kombination af begge, at skræddersy en nanopore-sensor til at detektere specifikke molekyler, tælle et lille antal molekyler, eller begge, " sagde Robertson.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.