Een nieuw op chips gebaseerd platform ontwikkeld door onderzoekers van UC Santa Cruz integreert nanoporiën en optofluidische technologie met een feedback-controlecircuit om een ​​ongekend niveau van controle over individuele moleculen en deeltjes op een chip mogelijk te maken voor high-throughput-analyse.

In een paper gepubliceerd op 16 augustus in Natuurcommunicatie , de onderzoekers meldden dat ze het apparaat gebruikten om de afgifte van individuele biomoleculen te regelen, inclusief ribosomen, DNA, en eiwitten - in een met vloeistof gevuld kanaal op de chip. Ze toonden ook aan dat het apparaat kan worden gebruikt om verschillende soorten moleculen te sorteren, selectieve analyse van doelmoleculen uit een mengsel mogelijk maken.

De mogelijkheden van het programmeerbare nanopore-optofluidic-apparaat wijzen de weg naar een nieuw onderzoeksinstrument voor high-throughput single-molecule-analyse op een chip, zei Holger Schmidt, de Kapany Professor of Optoelectronics aan UC Santa Cruz en corresponderende auteur van het artikel.

"We kunnen een enkel molecuul in een vloeistofkanaal brengen waar het vervolgens kan worden geanalyseerd met behulp van geïntegreerde optische golfgeleiders of andere technieken, "Zei Schmidt. "Het idee is om een ​​deeltje of molecuul te introduceren, houd het in het kanaal voor analyse, gooi het deeltje dan weg, en herhaal het proces gemakkelijk en snel om robuuste statistieken van veel experimenten met één molecuul te ontwikkelen."

Het nieuwe apparaat bouwt voort op eerder werk van het laboratorium van Schmidt en zijn medewerker Aaron Hawkins'-groep aan de Brigham Young University om optofluidic-chiptechnologie te ontwikkelen die microfluïdische systemen (kleine kanalen voor het verwerken van vloeibare monsters op een chip) combineert met geïntegreerde optica voor optische analyse van afzonderlijke moleculen. De toevoeging van nanoporiën maakt gecontroleerde levering van moleculen in het kanaal mogelijk, evenals de mogelijkheid om het elektrische signaal te analyseren dat wordt geproduceerd als een molecuul door de porie gaat. Dit laatste werk werd geleid door eerste auteur Mahmudur Rahman, een afgestudeerde student in het laboratorium van Schmidt aan de UC Santa Cruz.

Nanopore-technologie is met succes gebruikt in toepassingen voor DNA-sequencing, en Schmidt en andere onderzoekers hebben nieuwe manieren onderzocht om de informatie in de signalen te benutten die worden geproduceerd wanneer moleculen of deeltjes door een nanoporie worden verplaatst.

Met het feedbackbesturingssysteem (een microcontroller en solid-state relais) in het nieuwe apparaat, real-time analyse van de stroom verandert de nanopore in een "slimme poort" die door de gebruiker kan worden geprogrammeerd om moleculen op een vooraf bepaalde manier in het kanaal af te leveren. De poort kan worden gesloten zodra een enkel molecuul (of een door de gebruiker ingesteld getal) is gepasseerd, en na een bepaalde tijd weer geopend.

"Het gebruik van nanoporiën als 'slimme poorten' is een belangrijke stap in de richting van een analysesysteem met één molecuul dat gebruiksvriendelijk is en met een hoge doorvoer kan werken, "Zei Schmidt. "Het maakt door de gebruiker programmeerbare controle mogelijk over het aantal moleculen dat wordt afgeleverd aan een fluïdisch kanaal voor verdere analyse of verwerking, selectieve poorten van verschillende soorten enkelvoudige moleculen, en de mogelijkheid om afzonderlijke moleculen in een chip af te leveren met recordsnelheden van vele honderden per minuut."

Met behulp van bacteriële (70S) ribosomen, de onderzoekers toonden een gecontroleerde afgifte van meer dan 500 ribosomen per minuut aan. Co-auteur Harry Noller, de Sinsheimer hoogleraar moleculaire biologie aan de UC Santa Cruz, heeft baanbrekend onderzoek gedaan naar de structuur en functie van ribosomen, de moleculaire machines die eiwitten synthetiseren in alle levende cellen, en werkt sinds 2006 samen met de groep van Schmidt.

De onderzoekers gebruikten ook een mengsel van DNA en ribosomen om het vermogen van het apparaat aan te tonen om selectief de poortfunctie voor een doelmolecuul te activeren (in dit geval, DNA). Dit kan inschakelen, bijvoorbeeld, fluorescentie-experimenten op een gecontroleerd aantal doelmoleculen, terwijl ongelabelde deeltjes worden genegeerd en weggegooid. Selectieve gating kan ook worden gebruikt voor het zuiveren of sorteren van verschillende deeltjes stroomafwaarts van de nanoporie, gebaseerd op de signalen terwijl de deeltjes door de nanoporie gaan, zei Schmidt.

Het programmeerbare systeem biedt flexibiliteit voor een breed scala aan potentiële toepassingen, hij zei.