(Phys.org) —Kleine biomoleculaire kamers, nanoporiën genaamd, die selectief kunnen worden verwarmd, kunnen artsen helpen ziekten effectiever te diagnosticeren als recent onderzoek door een team van het National Institute of Standards and Technology (NIST), Wheaton College, en Virginia Commonwealth University (VCU) blijkt effectief. Hoewel de bevindingen nog jaren verwijderd kunnen zijn van toepassing in de kliniek, ze kunnen op een dag het vermogen van artsen verbeteren om snel in de bloedbaan te zoeken naar indicatoren van ziekte - een al lang bestaand doel van medisch onderzoek.

Het team heeft baanbrekend werk verricht op het gebied van het gebruik van nanoporiën - kleine kamers die de ionenkanalen in de membranen van cellen nabootsen - voor de detectie en identificatie van een breed scala aan moleculen, inclusief DNA. Ionenkanalen zijn de poorten waardoor de cel materialen zoals eiwitten toelaat en verdrijft, ionen en nucleïnezuren. Het typische ionkanaal is zo klein dat er maar één molecuul tegelijk in kan.

Eerder, teamleden plaatsten een nanoporie in een kunstmatig celmembraan, die ze tussen twee elektroden plaatsten. Met deze opstelling, ze kunnen individuele moleculen in de nanopore drijven en ze daar een paar milliseconden opsluiten, genoeg om enkele van hun fysieke kenmerken te onderzoeken.

"Een enkel molecuul zorgt voor een duidelijke verandering in de stroom die door de porie stroomt, waarmee we de massa en elektrische lading van het molecuul met hoge nauwkeurigheid kunnen meten, " zegt Joseph Reiner, een natuurkundige bij VCU die eerder bij NIST werkte. "Dit maakt onderscheid tussen verschillende moleculen met een hoge resolutie mogelijk. Maar voor medisch werk in de echte wereld, artsen en clinici zullen nog geavanceerdere meetmogelijkheden nodig hebben."

Een doel van het werk van het team is om onderscheid te maken tussen niet alleen verschillende soorten moleculen, maar tussen de vele duizenden verschillende eiwitten en andere biomarkers in onze bloedbaan. Bijvoorbeeld, veranderingen in eiwitniveaus kunnen wijzen op het begin van een ziekte, maar met zoveel vergelijkbare moleculen in de mix, het is belangrijk om de een niet voor de ander te verwarren. Dus het team breidde hun meetcapaciteit uit door gouden nanodeeltjes te hechten aan gemanipuleerde nanoporiën, "wat een ander middel biedt om onderscheid te maken tussen verschillende moleculaire soorten via temperatuurregeling, ' zegt Reinier.

Het team bevestigde gouden nanodeeltjes aan de nanoporie via kettingen gemaakt van complementaire DNA-strengen. Het vermogen van goud om licht te absorberen en zijn energie snel om te zetten in warmte die naar de aangrenzende oplossing geleidt, stelt het team in staat om de temperatuur van de nanoporie met een laser naar believen te veranderen, dynamisch veranderen van de manier waarop individuele moleculen ermee omgaan.

"Historisch, plotselinge temperatuurveranderingen werden gebruikt om de snelheden van chemische reacties te bepalen die voorheen ontoegankelijk waren voor meting, ", zegt NIST-biofysicus John Kasianowicz. "Het vermogen om snel de temperatuur te veranderen in volumes die evenredig zijn met de grootte van afzonderlijke moleculen, zal de scheiding van subtiel verschillende soorten mogelijk maken. Dit zal niet alleen helpen bij de detectie en identificatie van biomarkers, het zal ook helpen bij het ontwikkelen van een dieper begrip van thermodynamische en kinetische processen in afzonderlijke moleculen."

Het team onderzoekt manieren om op halfgeleiders gebaseerde nanoporiën te verbeteren, die deze nieuwe meetcapaciteit verder zou kunnen uitbreiden.