Ny enhed kombinerer nanoporer med elektroniske signaler til sygdomsdetektion

I levende organismer har celler en meget høj kapacitet til at behandle og kommunikere information ved at flytte molekyler eller ioner gennem bittesmå kanaler, der spænder over cellemembranen. UC Santa Cruz professor i elektrisk og computerteknik Marco Rolandis laboratorium og samarbejdspartnere ved MIT har skabt en enhed, der efterligner dette biologiske koncept for at opdage sygdom.

Ved hjælp af deres bioprotoniske system, en enhed, der integrerer elektroniske komponenter med biologiske komponenter og bruger elektriske strømme af protoner, kan forskerne detektere biomolekyler, der indikerer tilstedeværelsen af ​​menneskelig sygdom, blandt andre applikationer. Detaljer om denne enhed er offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

"Celler har en tendens til at være indbyrdes forbundet - de taler med hinanden, eller de taler til det ydre miljø ved at bruge disse intermembrane kanaler," sagde Rolandi. "Det, vi satte os for at gøre med vores samarbejdspartnere på MIT, var at skabe en kunstig ionkanal på en måde, så vi kunne justere egenskaberne af ionkanalen og dens funktionalitet, som vi ønsker."

Ved hjælp af en teknik kaldet DNA-origami kan forskerne ved MIT bioingeniør en DNA-streng, som naturligt danner formen af ​​en dobbelt helix, til en hvilken som helst form, de ønsker. Til dette projekt skabte de en lillebitte tunnel, der er specielt programmeret til en strøm af protoner (H-plus) til at rejse optimalt igennem. Denne lille kanal er kendt som en nanopore, et koncept, der oprindeligt blev udviklet på UCSC.

DNA-nanoporen sidder i Rolandis bioprotoniske system, som er designet til at efterligne den vandige, ionledende verden i det cellulære miljø. Et dobbeltlag af lipider, der ligner en cellemembran, adskiller vand, der repræsenterer miljøet uden for en celle, fra en elektrode, der repræsenterer indersiden af ​​en celle, og den indlejrede nanopore fungerer som en kanal mellem de to sider.

Elektroden sender en strøm af protoner gennem nanoporekanalen til den anden side af nanoporen, hvor der er et molekylebindingssted, der kan tilpasses, så specifikke biomolekyler af interesse binder sig til det. Hvis et af disse molekyler er til stede i vandet, vil det binde sig til den ene ende af nanoporen og blokere strømmen af ​​protoner gennem kanalen.

Enheden oversætter protonsignalet til et elektronisk signal, som forskerne kan læse. Når enheden ikke registrerer protoner, der strømmer gennem kanalen, ved forskerne, at der er et biomolekyle til stede.

Enheden inkluderer også to håndtag lavet af kolesterol, som placerer sig på tværs af lipiddobbeltlaget og forbedrer protonernes ledningsevne gennem nanoporekanalen.

"Det unikke ved tilgangen er kombinationen af ​​disse protonledende enheder med understøttende lipid-dobbeltlag, og jeg tror, ​​vi er de eneste grupper, der arbejder på dem, med dette dockdesign til DNA-nanoporerne," sagde Rolandi. "Nyheden er både integrationen af ​​enheden og evnen til at sanse ved hjælp af disse DNA-nanoporer."

I papiret viser forskerne, at de er i stand til at bruge det bioprotoniske system til påvisning af biomolekylet B-type natriuretisk peptid, en indikator for hjertesygdom. Dette viser enhedens potentiale til at blive brugt til biomolekyledetektion i en in vitro eller klinisk setting.

I fremtiden forestiller forskerne sig, at enheden kan indeholde flere nanoporer, hver programmeret til at detektere en anden type biomolekyle.

"Det er helt klart en del af systemets tiltrækningskraft - i den nærmeste fremtid kunne vi multiplekse, så vi kunne have en komplet suite af biosensorer," sagde Rolandi.

UCSC-forskere Le (Dante) Luo, Yunjeong Park og Jesse Vicente bidrog til dette papir. Forskere fra University of Washington og TOBB University of Economics and Technology i Ankara, Tyrkiet deltog også i dette projekt.

Flere oplysninger: Le Luo et al., DNA-nanoporer som kunstige membrankanaler for bioprotonik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of California - Santa Cruz