Een nieuw type sensor, gebaseerd op poriën op nanometerschaal in een halfgeleidermembraan, is een stap dichter bij praktisch gebruik in toepassingen zoals het analyseren van het eiwitgehalte van een enkele cel. Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) die baanbrekend werk hebben verricht met nanopore-sensortechnologie met één molecuul, hebben de afgelopen jaren hun potentieel aangetoond door een opeenvolging van experimenten. Nutsvoorzieningen, in samenwerking met biochemici van de Goethe-universiteit Frankfurt, ze zijn erin geslaagd deze inspanning verder te brengen dan wat een knelpunt was geweest:de selectiviteit van de sensor verbeteren terwijl de gevoeligheid voor afzonderlijke moleculen behouden bleef. Ze rapporteren de laatste resultaten in Natuur Nanotechnologie .

Onderzoek gericht op het fabriceren en controleren van diagnostische apparaten op de schaal van biologische moleculen is zo ver gevorderd dat verschillende benaderingen als concurrerend worden beschouwd voor praktische toepassing in de relatief nabije toekomst. De zoektocht is niet om een ​​universele, breedspectrumsensor, maar eerder een technologie voor het detecteren en identificeren van afzonderlijke moleculen van specifiek gerichte eiwitten - zonder de noodzaak om ze te wijzigen door biochemische 'labels' toe te voegen. Dergelijke technologie kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, het versnellen van de vertaling van inzichten uit genomics naar praktische kennis van proteomics. Dit is van vitaal belang voor zowel medisch en farmaceutisch onderzoek als voor meer fundamentele biologische studies. Een andere veelgenoemde mogelijke toepassing is de detectie van biologische strijdmiddelen.

Een van de meest veelbelovende benaderingen is gebaseerd op het ontwerpen van een moleculair "controlepunt, " een bewaakte doorgang tussen twee zoutoplossingen gescheiden door een kunstmatig membraan. Deze zogenaamde nanoporie is zo bemeten en gevormd dat moleculen één voor één moeten passeren. De aanwezigheid van een molecuul in het pad veroorzaakt meetbare veranderingen in elektrische geleidbaarheid over de nanoporie, en verdere verfijningen kunnen zo'n detector verfijnen om er een zeer specifieke "identiteitscontrole" van te maken voor gerichte moleculen. Wat de samenwerking tussen München en Frankfurt mogelijk heeft gemaakt, is een robuuste en omkeerbare methode om deze fijnafstemming uit te voeren:een anorganische nanoporiënsensor uitrusten met biologische functionaliteit door moleculaire receptoren erin te verankeren. De teams werden geleid door Dr. Ulrich Rant, van het Walter Schottky Institute van TUM en het TUM Institute for Advanced Study, en Prof. Dr. Robert Tampé van het Instituut voor Biochemie aan de Goethe Universiteit Frankfurt en de Cluster of Excellence Frankfurt (CEF) Macromoleculaire Complexen.

"Wat ik geweldig vind aan nanoporiën, "Rant zegt, "is hun kosteneffectiviteit:je kunt al experimenten met één molecuul uitvoeren met apparatuur die slechts een paar duizend euro waard is. Als de technologie verder wordt gecommercialiseerd, Ik weet zeker dat instrumenten kunnen worden verkocht voor de prijs van een pc, waardoor mensen mogelijk afzonderlijke moleculen thuis kunnen detecteren."

De fabricage van deze experimentele apparaten begon met een substraat van siliciumnitride van slechts 50 nanometer dik; dus het membraan was letterlijk een halfgeleiderchip (hoewel niet, natuurlijk, een geïntegreerde schakeling). Standaardinstrumenten van de micro-elektronica-industrie, elektronenstraallithografie en reactief ionenetsen, werden gebruikt om het siliciumnitridemembraan met nanoporiën met een diameter van 20 tot 50 nm te doorboren. Dampafzetting werd gebruikt om de poriën te coaten met titanium en goud, en het metaal kreeg op zijn beurt een zelf-geassembleerde chemische coating van één moleculaire laag dik. De resulterende nanoporiën hadden een taps toelopende conische vorm met een diameter aan het smalle uiteinde van ongeveer 25 nm; verankerd in de oppervlaktelaag waren een klein aantal biochemische receptoren ontworpen om het eiwit te vangen en te immobiliseren dat de sensor zijn biologische functionaliteit zou geven. Voor deze experimenten is de chips werden gemonteerd in een meetkamer met aan weerszijden een elektrolytoplossing; eiwitmoleculen die aan één kant van de kamer werden toegevoegd, werden door een elektrische lading door de nanoporie gedrukt. Sporen van veranderingen in elektrische stroom leverden realtime metingen op van afzonderlijke moleculen terwijl ze door de nanoporiën gingen - of bleven hangen terwijl ze in wisselwerking stonden met het geïmmobiliseerde eiwit - en deze gegevens zorgden op hun beurt voor een positieve identificatie van doelmoleculen.

De onderzoekers waren in staat om recombinante histidine-gelabelde eiwitten te detecteren, en ook om onderscheid te maken tussen subklassen van natuurlijke IgG-antilichamen (van ratten en hamsters). Vroeger, dit niveau van selectiviteit kon alleen worden bereikt ten koste van de gevoeligheid van één molecuul. De resultaten gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie laten zien dat dit obstakel kan worden overwonnen, en meer – dat de aanpak extreem veelzijdig is. Zoals Rant uitlegt, "De methode die we hebben gebruikt om afzonderlijke eiwitten in de porie te verankeren, is vrij algemeen en werkt voor veel beschikbare recombinante eiwitten. Daarom is het gemakkelijk om de nanoporie in vaste toestand de gewenste biologische functionaliteit te geven. Selecteer gewoon een geschikt eiwit, die specifiek doeleiwitten van belang herkent, en gebruik het om eiwitten te onderzoeken terwijl ze passeren."

"De toekomst blijft spannend, "Tampé zegt, "omdat de natuur ons ver vooruit is in termen van selectiviteit en specificiteit. Daarom zijn er verdere verbeteringen nodig op het gebied van kunstmatige sensorische systemen op moleculair niveau. De samenwerking tussen de teams van München en Frankfurt is een belangrijke stap in biosensorische en nanodiagnostische technologie op het gebied van het niveau van afzonderlijke moleculen." Rant voegt toe, "Het meeste recente onderzoek naar nanoporiën is gericht op DNA-detectie en sequencing. Ik hoop dat onze resultaten aantonen dat nanoporiën het potentieel hebben om ook belangrijke hulpmiddelen voor eiwitonderzoek te worden. En wie weet? Misschien zien we binnenkort de introductie van eiwitnanoporiën sensoren als diagnostische instrumenten om ziektemarkers met een lage overvloed in patiëntenmonsters te detecteren."