Rijksuniversiteit Groningen wetenschappers, onder leiding van universitair hoofddocent chemische biologie Giovanni Maglia, hebben een nanoporiënsysteem ontworpen dat in staat is om verschillende metabolieten gelijktijdig te meten in een verscheidenheid aan biologische vloeistoffen, allemaal in een kwestie van seconden. Het elektrische uitgangssignaal kan eenvoudig worden geïntegreerd in elektronische apparaten voor thuisdiagnose. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het meten van veel metabolieten of medicijnen in het lichaam is ingewikkeld en tijdrovend, en realtime monitoring is meestal niet mogelijk. De ionenstromen die door individuele nanoporiën gaan, komen naar voren als een veelbelovend alternatief voor standaard biochemische analyse. Nanoporiën zijn al geïntegreerd in draagbare apparaten om DNA-sequenties te bepalen. "Maar het is in principe onmogelijk om deze nanoporiën te gebruiken om specifiek kleine moleculen in een complex biologisch monster te identificeren, ' zegt Maglia.

Omvormer

Een jaar geleden, Maglia demonstreerde hoe nanoporiën te gebruiken om de 'vingerafdrukken' van eiwitten en peptiden te identificeren, en zelfs om polypeptiden te onderscheiden die met één aminozuur verschillen. Nutsvoorzieningen, hij heeft dit systeem aangepast om kleine moleculen in biologische vloeistoffen te identificeren. Om dit te doen, hij gebruikte een grotere cilindrische nanoporie waaraan hij substraatbindende eiwitten toevoegde. "Bacteriën maken honderden van deze eiwitten om substraten te binden om ze in de cellen te transporteren. Deze eiwitten hebben specificiteiten die in de loop van miljarden jaren zijn geëvolueerd."

Maglia past de bindende eiwitten aan zodat ze in de nanoporie passen. Als een eiwit zich vervolgens aan zijn substraat bindt, het verandert zijn conformatie. Dit, beurtelings, verandert de stroom die door de porie gaat. "We gebruiken het bindende eiwit als een elektrische transducer om de afzonderlijke moleculen van het substraat te detecteren, ", legt Maglia uit. De poriën kunnen worden ingebouwd in een standaardapparaat dat de stroom van honderden afzonderlijke poriën tegelijk analyseert. de wetenschappers werken met Oxford Nanopores, de wereldleider in dit soort technologie.

Bloed, zweet, en urine

Door toevoeging van twee verschillende substraatbindende eiwitten die specifiek zijn voor glucose en het aminozuur asparagine, Maglia was in staat om binnen een minuut een meting voor beide te krijgen van een fractie van een enkele druppel bloed. "Realtime glucosesensoren zijn beschikbaar, maar de asparagine-analyse duurt normaal gesproken dagen, "zegt hij. Maglia's methode werkt met bloed, zweet, urine of andere lichaamsvloeistoffen, zonder monstervoorbereiding. De substraatbindende eiwitten bevinden zich aan de ene kant van het membraan en het monster aan de andere. "Omdat de poriën erg smal zijn, het mengen gebeurt alleen in de nanoporie, zodat het systeem continu kan werken, " hij legt uit.

De uitdaging is nu om geschikte bindende eiwitten te identificeren voor meer substraten, inclusief medicijnen. Maglia's groep heeft er tot nu toe tien gevonden. "Maar ze moeten worden afgestemd om met de porie te werken. En op dit moment, we begrijpen het mechanisme hiervoor niet echt, dus het vinden van de juiste eiwitten is een kwestie van vallen en opstaan, " zegt hij. Maglia zoekt naar mogelijkheden om een ​​bedrijf op te zetten dat deze bindende eiwitten gaat leveren. "Als we een systeem kunnen maken met eiwitten die specifiek zijn voor honderden verschillende metabolieten, we hebben een echt disruptieve nieuwe technologie voor medische diagnostiek gecreëerd."