Sommige soorten bacteriën hebben het vermogen om gaten in andere cellen te slaan en deze te doden. Ze doen dit door gespecialiseerde eiwitten vrij te geven die "porievormende toxines" (PFT's) worden genoemd en die zich hechten aan het celmembraan en een buisachtig kanaal vormen dat er doorheen gaat. Deze structuur over het membraan wordt een porie genoemd. Doorboord door meerdere PFT's, de doelcel vernietigt zichzelf.

Echter, PFT's hebben veel belangstelling gekregen dan bacteriële infecties. De poriën van nanoformaat die ze vormen, worden gebruikt voor het detecteren van biomoleculen:een biologisch molecuul, bijv. DNA of RNA, gaat door de nanoporiën als een snaar die wordt aangestuurd door een spanning, en de afzonderlijke componenten (bijv. nucleïnezuren in DNA) geven duidelijke elektrische signalen af ​​die kunnen worden uitgelezen. In feite, nanopore-sensing is al op de markt als een belangrijk hulpmiddel voor DNA- of RNA-sequencing.

Publiceren in Natuurcommunicatie , wetenschappers onder leiding van Matteo Dal Peraro van EPFL hebben een andere belangrijke PFT bestudeerd die effectief kan worden gebruikt voor complexere detectie, zoals eiwitsequencing. Het toxine is aerolysine, die wordt geproduceerd door de bacterie Aeromonas hydrophila, en is het "stichtende lid" van een grote familie van PFT's die in veel organismen worden aangetroffen.

Een van de belangrijkste voordelen van aerolysine is dat het zeer nauwe poriën vormt die moleculen kunnen onderscheiden met een veel hogere resolutie dan andere toxines. Eerdere studies hebben aangetoond dat aerolysine kan worden gebruikt om verschillende biomoleculen te "voelen", maar er zijn weinig studies geweest over de relatie tussen de structuur van aerolysine en zijn moleculaire waarnemingsvermogen.

De onderzoekers gebruikten eerst een structureel model van aerolysine om de structuur ervan te bestuderen met computersimulaties. Als eiwit, aerolysine bestaat uit aminozuren, en het model hielp de wetenschappers begrijpen hoe die aminozuren de functie van aerolysine in het algemeen beïnvloeden.

Toen ze die relatie eenmaal onder de knie hadden, de onderzoekers veranderden strategisch aminozuren in het computermodel. Het model voorspelde vervolgens de mogelijke impact van elke verandering op de algemene functie van aerolysine.

Aan het einde van het rekenproces, Dr. Chan Cao, de belangrijkste auteur van dit werk, geproduceerd 16 genetisch gemanipuleerde, "mutante" aerolysine-poriën, ze ingebed in lipide dubbellagen om hun positie in een celmembraan te simuleren, en verschillende metingen uitgevoerd (eenkanaals opname en moleculaire translocatie-experimenten) om te begrijpen hoe ionengeleiding, ion selectiviteit, en translocatie-eigenschappen van de aerolysine-porie worden op moleculair niveau gereguleerd.

En met deze aanpak de onderzoekers hebben eindelijk gevonden wat de relatie tussen de structuur en de functie van aerolysine drijft:de dop. De aerolysine-porie is niet alleen een buis die door het membraan gaat, maar heeft ook een kapachtige structuur die het doelmolecuul aantrekt en vastbindt en het door het kanaal van de porie "trekt". En de studie wees uit dat het de elektrostatica in dit kapgebied is die deze relatie dicteert.

"Door de details te begrijpen van hoe de structuur van de aerolysine-porie zich verbindt met zijn functie, we kunnen nu aangepaste poriën ontwerpen voor verschillende detectietoepassingen, " zegt Dal Peraro. "Deze zouden nieuw openen, onontgonnen mogelijkheden om biomoleculen te sequensen als DNA, eiwitten en hun post-translationele modificaties met veelbelovende toepassingen in gensequencing en detectie van biomarkers voor diagnostiek." De wetenschappers hebben al een patent aangevraagd voor hun sequencing en karakterisering van de genetisch gemanipuleerde aerolysine-poriën.