Wie man einen besseren ‘Nanoporen’-Biosensor baut – –

Forscher haben mehr als drei Jahrzehnte damit verbracht, Miniatur-Biosensoren zu entwickeln und zu untersuchen, mit denen einzelne Moleküle identifiziert werden können. In fünf bis zehn Jahren, wenn solche Geräte in Arztpraxen zu einem festen Bestandteil werden könnten, könnten sie molekulare Marker für Krebs und andere Krankheiten erkennen und die Wirksamkeit der medikamentösen Behandlung zur Bekämpfung dieser Krankheiten bewerten.

Um dies zu erreichen und die Genauigkeit und Geschwindigkeit dieser Messungen zu erhöhen, müssen Wissenschaftler Wege finden, um besser zu verstehen, wie Moleküle mit diesen Sensoren interagieren. Forscher des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) und der Virginia Commonwealth University (VCU) haben jetzt einen neuen Ansatz entwickelt. Sie berichteten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe von Fortschritte in der Wissenschaft.

Das Team baute seinen Biosensor, indem es eine künstliche Version des biologischen Materials herstellte, das eine Zellmembran bildet. Bekannt als Lipiddoppelschicht, enthält es eine winzige Pore mit einem Durchmesser von etwa 2 Nanometern (Milliardstel Meter), die von Flüssigkeit umgeben ist. In der Flüssigkeit gelöste Ionen passieren die Nanopore und erzeugen einen kleinen elektrischen Strom. Wenn jedoch ein interessierendes Molekül in die Membran getrieben wird, blockiert es teilweise den Stromfluss. Die Dauer und das Ausmaß dieser Blockade dienen als Fingerabdruck, der die Größe und Eigenschaften eines bestimmten Moleküls identifiziert.

Um genaue Messungen für eine große Anzahl einzelner Moleküle durchzuführen, müssen die interessierenden Moleküle für ein Intervall in der Nanopore bleiben, das weder zu lang noch zu kurz ist (die “Goldlöckchen” -Zeit) und zwischen 100 Millionstel und 10 Tausendstelsekunde liegt . Das Problem ist, dass die meisten Moleküle für dieses Zeitintervall nur dann im kleinen Volumen einer Nanopore verbleiben, wenn die Nanopore sie irgendwie an Ort und Stelle hält. Dies bedeutet, dass die Nanoporenumgebung eine bestimmte Barriere bieten muss – beispielsweise das Hinzufügen einer elektrostatischen Kraft oder eine Änderung der Form der Nanoporen -, die das Entweichen der Moleküle erschwert.

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Die minimale Energie, die erforderlich ist, um die Barriere zu durchbrechen, ist für jeden Molekültyp unterschiedlich und entscheidend dafür, dass der Biosensor effizient und genau arbeitet. Um diese Größe zu berechnen, müssen verschiedene Eigenschaften gemessen werden, die sich auf die Energie des Moleküls beziehen, wenn es sich in die Pore hinein und aus dieser heraus bewegt.

Entscheidend ist, dass gemessen wird, ob die Wechselwirkung zwischen dem Molekül und seiner Umgebung hauptsächlich auf einer chemischen Bindung oder auf der Fähigkeit des Moleküls beruht, während des gesamten Einfang- und Freisetzungsprozesses frei zu wackeln und sich zu bewegen.

Bisher fehlten aus mehreren technischen Gründen zuverlässige Messungen zur Extraktion dieser energetischen Komponenten. In der neuen Studie demonstrierte ein Team unter der Leitung von Joseph Robertson von NIST und Joseph Reiner von VCU die Fähigkeit, diese Energien mit einer schnellen, laserbasierten Heizmethode zu messen.

Die Messungen müssen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden, und das Laserheizsystem stellt sicher, dass diese Temperaturänderungen schnell und reproduzierbar auftreten. Dies ermöglicht es Forschern, Messungen in weniger als 2 Minuten durchzuführen, verglichen mit den 30 Minuten oder mehr, die sonst erforderlich wären.

“Ohne dieses neue laserbasierte Heizwerkzeug deuten unsere Erfahrungen darauf hin, dass die Messungen einfach nicht durchgeführt werden. Sie wären zu zeitaufwändig und kostspielig”, sagte Robertson. “Im Wesentlichen haben wir ein Tool entwickelt, das die Entwicklungspipeline für Nanoporensensoren ändern kann, um das Rätselraten bei der Sensorentdeckung schnell zu reduzieren”, fügte er hinzu.

Sobald die Energiemessungen durchgeführt wurden, können sie Aufschluss darüber geben, wie ein Molekül mit der Nanopore interagiert. Wissenschaftler können diese Informationen dann verwenden, um die besten Strategien zum Nachweis von Molekülen zu bestimmen.

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Stellen Sie sich zum Beispiel ein Molekül vor, das mit der Nanopore hauptsächlich durch chemische – im Wesentlichen elektrostatische – Wechselwirkungen interagiert. Um die Goldilocks-Einfangzeit zu erreichen, experimentierten die Forscher damit, die Nanopore so zu modifizieren, dass ihre elektrostatische Anziehung zum Zielmolekül weder zu stark noch zu schwach war.

Vor diesem Hintergrund demonstrierten die Forscher die Methode mit zwei kleinen Peptiden, kurzen Ketten von Verbindungen, die die Bausteine ​​von Proteinen bilden. Eines der Peptide, Angiotensin, stabilisiert den Blutdruck. Das andere Peptid, Neurotensin, hilft bei der Regulierung von Dopamin, einem Neurotransmitter, der die Stimmung beeinflusst und möglicherweise auch bei Darmkrebs eine Rolle spielt. Diese Moleküle interagieren mit Nanoporen hauptsächlich durch elektrostatische Kräfte. Die Forscher setzten in die Nanoporen Goldnanopartikel ein, die mit einem geladenen Material bedeckt waren, das die elektrostatischen Wechselwirkungen mit den Molekülen verstärkte.

Das Team untersuchte auch ein anderes Molekül, Polyethylenglykol, dessen Bewegungsfähigkeit bestimmt, wie viel Zeit es in der Nanopore verbringt. Normalerweise kann dieses Molekül frei wackeln, sich drehen und dehnen, ohne von seiner Umgebung belastet zu werden. Um die Verweilzeit des Moleküls in der Nanopore zu verlängern, änderten die Forscher die Form der Nanopore, wodurch es für das Molekül schwieriger wurde, sich durch den winzigen Hohlraum zu quetschen und auszutreten.

“Wir können diese Änderungen nutzen, um einen Nanoporen-Biosensor aufzubauen, der auf den Nachweis spezifischer Moleküle zugeschnitten ist”, sagt Robertson. Letztendlich könnte ein Forschungslabor einen solchen Biosensor verwenden, um interessierende biologische Moleküle zu identifizieren, oder eine Arztpraxis könnte das Gerät verwenden, um Marker für Krankheiten zu identifizieren.

“Unsere Messungen liefern eine Blaupause dafür, wie wir die Wechselwirkungen der Poren modifizieren können, sei es durch Geometrie oder Chemie oder eine Kombination aus beiden, um einen Nanoporensensor für die Erkennung spezifischer Moleküle, die Zählung einer kleinen Anzahl von Molekülen oder beides maßzuschneidern.” “sagte Robertson.

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