Автор AZoNano 28 апреля 2021 г.

Исследователи потратили более трех десятилетий на разработку и изучение миниатюрных биосенсоров, которые могут идентифицировать отдельные молекулы. Через пять-десять лет, когда такие устройства могут стать основным продуктом в кабинетах врачей, они смогут обнаруживать молекулярные маркеры рака и других заболеваний и оценивать эффективность медикаментозного лечения для борьбы с этими заболеваниями.

Чтобы сделать это возможным и повысить точность и скорость этих измерений, ученые должны найти способы лучше понять, как молекулы взаимодействуют с этими датчиками. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Содружества Вирджинии (VCU) разработали новый подход. Они сообщили о своих открытиях в текущем выпуске Science Advances.

Команда создала свой биосенсор, создав искусственную версию биологического материала, который образует клеточную мембрану. Известный как липидный бислой, он содержит крошечную пору диаметром около 2 нанометров (миллиардных долей метра), окруженную жидкостью. Ионы, растворенные в жидкости, проходят через нанопоры, генерируя небольшой электрический ток. Однако, когда интересующая молекула проникает в мембрану, она частично блокирует прохождение тока. Продолжительность и величина этой блокады служат «отпечатком пальца», определяющим размер и свойства конкретной молекулы.

Чтобы произвести точные измерения для большого количества отдельных молекул, интересующие молекулы должны оставаться в нанопоре в течение промежутка времени, который не является ни слишком длинным, ни слишком коротким (время «Златовласки»), в пределах от 100 миллионных до 10 тысячных. секунды. Проблема в том, что большинство молекул остаются в небольшом объеме нанопоры в течение этого промежутка времени только в том случае, если нанопора каким-то образом удерживает их на месте. Это означает, что среда нанопоры должна обеспечивать определенный барьер – например, добавление электростатической силы или изменение формы нанопоры – что затрудняет выход молекул.

Минимальная энергия, необходимая для преодоления барьера, различается для каждого типа молекулы и имеет решающее значение для эффективной и точной работы биосенсора. Вычисление этой величины включает измерение нескольких свойств, связанных с энергией молекулы, когда она входит и выходит из поры.

Важнейшая цель состоит в том, чтобы измерить, возникает ли взаимодействие между молекулой и окружающей средой в первую очередь из химической связи или из способности молекулы покачиваться и свободно перемещаться в процессе захвата и высвобождения.

До сих пор надежные измерения для извлечения этих энергетических компонентов отсутствовали по ряду технических причин. В новом исследовании группа под руководством Джозефа Робертсона из NIST и Джозефа Райнера из VCU продемонстрировала способность измерять эти энергии с помощью метода быстрого лазерного нагрева.

Измерения должны проводиться при разных температурах, а система лазерного нагрева гарантирует, что эти изменения температуры происходят быстро и воспроизводимо. Это позволяет исследователям выполнять измерения менее чем за 2 минуты по сравнению с 30 или более минутами, которые в противном случае потребовались бы.

«Наш опыт показывает, что без этого нового лазерного нагревательного прибора измерения просто не будут проводиться; они потребуют слишком много времени и средств, », – сказал Робертсон. «По сути, мы разработали инструмент, который может изменить конвейер разработки нанопористых сенсоров, чтобы быстро сократить количество догадок, связанных с открытием сенсора», добавил он.

После того, как измерения энергии выполнены, они могут помочь выявить, как молекула взаимодействует с нанопорой. Затем ученые могут использовать эту информацию для определения лучших стратегий обнаружения молекул.

Например, рассмотрим молекулу, которая взаимодействует с нанопорой в основном посредством химических, в основном, электростатических взаимодействий. Чтобы достичь времени захвата Златовласки, исследователи экспериментировали с модификацией нанопоры так, чтобы ее электростатическое притяжение к целевой молекуле не было ни слишком сильным, ни слишком слабым.

С этой целью исследователи продемонстрировали метод с двумя небольшими пептидами, короткими цепочками соединений, которые образуют строительные блоки белков. Один из пептидов, ангиотензин, стабилизирует артериальное давление. Другой пептид, нейротензин, помогает регулировать дофамин, нейромедиатор, который влияет на настроение, а также может играть роль в колоректальном раке. Эти молекулы взаимодействуют с нанопорами в основном за счет электростатических сил. Исследователи вставили в нанопоры наночастицы золота, покрытые заряженным материалом, который усилил электростатические взаимодействия с молекулами.

Команда также исследовала другую молекулу, полиэтиленгликоль, способность которой двигаться определяет, сколько времени она проводит в нанопоре. Обычно эта молекула может свободно покачиваться, вращаться и растягиваться, не отягощенная окружающей средой. Чтобы увеличить время пребывания молекулы в нанопоре, исследователи изменили форму нанопоры, что затруднило прохождение молекулы через крошечную полость и выход из нее.

«Мы можем использовать эти изменения для создания биосенсора с нанопорами, предназначенного для обнаружения определенных молекул», – говорит Робертсон . В конечном итоге исследовательская лаборатория могла бы использовать такой биосенсор для идентификации представляющих интерес биологических молекул, или в кабинете врача можно было бы использовать устройство для определения маркеров заболевания.

«Наши измерения дают схему того, как мы можем изменить взаимодействия пор, будь то геометрия или химия, или комбинация того и другого, чтобы настроить датчик нанопор для обнаружения определенных молекул, считая небольшие числа. молекул или того и другого ", – сказал Робертсон .

Источник: http://www.nist.gov/