Onderzoekers hebben meer dan drie decennia besteed aan het ontwikkelen en bestuderen van miniatuur biosensoren die afzonderlijke moleculen kunnen identificeren. Over 5 tot 10 jaar, wanneer dergelijke apparaten een nietje kunnen worden in dokterspraktijken, ze zouden moleculaire markers voor kanker en andere ziekten kunnen detecteren en de effectiviteit van medicamenteuze behandeling om die ziekten te bestrijden kunnen beoordelen.

Om dat mogelijk te maken en om de nauwkeurigheid en snelheid van deze metingen te vergroten, wetenschappers moeten manieren vinden om beter te begrijpen hoe moleculen interageren met deze sensoren. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en Virginia Commonwealth University (VCU) hebben nu een nieuwe aanpak ontwikkeld. Ze rapporteerden hun bevindingen in het huidige nummer van Vooruitgang in de wetenschap.

Het team bouwde zijn biosensor door een kunstmatige versie te maken van het biologische materiaal dat een celmembraan vormt. Bekend als een lipide dubbellaag, het bevat een kleine porie, ongeveer 2 nanometer (miljardste van een meter) breed in diameter, omgeven door vloeistof. Ionen die in de vloeistof zijn opgelost, passeren de nanoporiën, het genereren van een kleine elektrische stroom. Echter, wanneer een molecuul van belang in het membraan wordt gedreven, het blokkeert gedeeltelijk de stroom van stroom. De duur en omvang van deze blokkade dienen als een vingerafdruk, het identificeren van de grootte en eigenschappen van een specifiek molecuul.

Om nauwkeurige metingen te doen voor een groot aantal individuele moleculen, de moleculen van belang moeten in de nanoporie blijven voor een interval dat niet te lang of te kort is (de "Goldilocks" -tijd), variërend van 100 miljoenste tot 10 duizendste van een seconde. Het probleem is dat de meeste moleculen alleen gedurende dit tijdsinterval in het kleine volume van een nanoporie blijven als de nanoporie ze op de een of andere manier op hun plaats houdt. Dit betekent dat de nanoporiënomgeving een bepaalde barrière moet vormen, bijvoorbeeld de toevoeging van een elektrostatische kracht of een verandering in de vorm van de nanoporie, waardoor het moeilijker wordt voor de moleculen om te ontsnappen.

De minimale energie die nodig is om de barrière te doorbreken, verschilt voor elk type molecuul en is van cruciaal belang voor de biosensor om efficiënt en nauwkeurig te werken. Het berekenen van deze hoeveelheid omvat het meten van verschillende eigenschappen die verband houden met de energie van het molecuul terwijl het in en uit de porie beweegt.

Kritisch, het doel is om te meten of de interactie tussen het molecuul en zijn omgeving voornamelijk voortkomt uit een chemische binding of uit het vermogen van het molecuul om te wiebelen en vrij te bewegen tijdens het opname- en afgifteproces.

Tot nu, Om een ​​aantal technische redenen ontbraken betrouwbare metingen om deze energetische componenten te extraheren. In de nieuwe studie een team onder leiding van Joseph Robertson van NIST en Joseph Reiner van VCU demonstreerde het vermogen om deze energieën te meten met een snelle, op laser gebaseerde verwarmingsmethode.

De metingen moeten bij verschillende temperaturen worden uitgevoerd, en het laserverwarmingssysteem zorgt ervoor dat deze temperatuurveranderingen snel en reproduceerbaar plaatsvinden. Dat stelt onderzoekers in staat om metingen in minder dan 2 minuten te voltooien, vergeleken met de 30 minuten of meer die het anders nodig zou hebben.

"Zonder deze nieuwe op laser gebaseerde verwarmingstool, onze ervaring suggereert dat de metingen gewoon niet worden gedaan; ze zouden te tijdrovend en te duur zijn, "zei Robertson. "In wezen, we hebben een tool ontwikkeld die de ontwikkelingspijplijn voor nanopore-sensoren kan veranderen om snel het giswerk bij het ontdekken van sensoren te verminderen, " hij voegde toe.

Nadat de energiemetingen zijn uitgevoerd, ze kunnen helpen onthullen hoe een molecuul interageert met de nanoporie. Wetenschappers kunnen deze informatie vervolgens gebruiken om de beste strategieën te bepalen voor het detecteren van moleculen.

Bijvoorbeeld, beschouw een molecuul dat voornamelijk interageert met de nanoporie door middel van chemische - in wezen elektrostatische - interacties. Om de vangsttijd van Goudlokje te bereiken, de onderzoekers experimenteerden met het aanpassen van de nanoporie, zodat de elektrostatische aantrekkingskracht op het doelmolecuul niet te sterk of te zwak was.

Met dit doel voor ogen, de onderzoekers demonstreerden de methode met twee kleine peptiden, korte ketens van verbindingen die de bouwstenen van eiwitten vormen. Een van de peptiden, angiotensine, stabiliseert de bloeddruk. Het andere peptide, neurotensine, helpt bij het reguleren van dopamine, een neurotransmitter die de stemming beïnvloedt en mogelijk ook een rol speelt bij darmkanker. Deze moleculen interageren voornamelijk met nanoporiën door middel van elektrostatische krachten. De onderzoekers plaatsten in de nanodeeltjes van goud met nanoporiën bedekt met een geladen materiaal dat de elektrostatische interacties met de moleculen versterkte.

Het team onderzocht ook een ander molecuul, polyethyleenglycol, wiens vermogen om te bewegen bepaalt hoeveel tijd het in de nanoporie doorbrengt. Gewoonlijk, dit molecuul kan wiebelen, vrij roteren en uitrekken, niet gehinderd door zijn omgeving. Om de verblijftijd van het molecuul in de nanoporie te vergroten, de onderzoekers veranderden de vorm van de nanoporiën, waardoor het moeilijker wordt voor het molecuul om door de kleine holte te knijpen en eruit te komen.

"We kunnen deze veranderingen benutten om een ​​biosensor met nanoporiën te bouwen die is afgestemd op het detecteren van specifieke moleculen, ", zegt Robertson. Uiteindelijk, een onderzoekslaboratorium zou zo'n biosensor kunnen gebruiken om biologische moleculen van belang te identificeren of een dokterspraktijk zou het apparaat kunnen gebruiken om markers voor ziekte te identificeren.

"Onze metingen bieden een blauwdruk voor hoe we de interacties van de porie kunnen wijzigen, of het nu door middel van geometrie of chemie is, of een combinatie van beide, om een ​​nanopore-sensor op maat te maken voor het detecteren van specifieke moleculen, het tellen van kleine aantallen moleculen, of allebei, ' zei Robertson.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.