In levende organismen hebben cellen een zeer hoge capaciteit om informatie te verwerken en te communiceren door moleculen of ionen door kleine kanaaltjes te bewegen die het celmembraan omspannen. Het laboratorium van Marco Rolandi, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Santa Cruz, en medewerkers van het MIT, hebben een apparaat ontwikkeld dat dit biologische concept nabootst om ziekten op te sporen.

Met behulp van hun bioprotonisch systeem, een apparaat dat elektronische componenten met biologische componenten integreert en elektrische stromen van protonen gebruikt, kunnen de onderzoekers onder meer biomoleculen detecteren die wijzen op de aanwezigheid van menselijke ziekten. Details over dit apparaat zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

"Cellen zijn vaak met elkaar verbonden:ze praten met elkaar, of ze praten met de externe omgeving, met behulp van deze intermembraankanalen", zegt Rolandi. "Wat we met onze medewerkers bij MIT wilden doen, was een kunstmatig ionenkanaal creëren op een manier waarop we de eigenschappen van het ionenkanaal en de functionaliteit ervan naar wens konden afstemmen."

Met behulp van een techniek genaamd DNA-origami kunnen de onderzoekers van MIT een DNA-streng, die van nature de vorm van een dubbele helix vormt, bio-engineeren in elke gewenste vorm. Voor dit project creëerden ze een kleine tunnel die speciaal geprogrammeerd was zodat een stroom protonen (H-plus) er optimaal doorheen kon reizen. Dit kleine kanaal staat bekend als een nanoporie, een concept dat oorspronkelijk werd ontwikkeld bij UCSC.

De DNA-nanoporie bevindt zich in het bioprotonische systeem van Rolandi, dat is ontworpen om de waterige, ionengeleidende wereld van de cellulaire omgeving na te bootsen. Een dubbele laag lipiden, vergelijkbaar met een celmembraan, scheidt water dat de omgeving buiten een cel vertegenwoordigt, van een elektrode die de binnenkant van een cel vertegenwoordigt, en de ingebedde nanoporie fungeert als een kanaal tussen de twee zijden.

De elektrode stuurt een stroom protonen door het nanoporiekanaal naar de andere kant van de nanoporie, waar zich een molecuulbindingsplaats bevindt die kan worden aangepast, zodat specifieke interessante biomoleculen zich eraan hechten. Als een van die moleculen in het water aanwezig is, zal deze zich aan het ene uiteinde van de nanoporie hechten en de stroom protonen door het kanaal blokkeren.

Het apparaat vertaalt het protonsignaal naar een elektronisch signaal dat de onderzoekers kunnen lezen. Wanneer het apparaat geen protonen detecteert die door het kanaal stromen, weten de onderzoekers dat er een biomolecuul aanwezig is.

Het apparaat bevat ook twee handvatten gemaakt van cholesterol die zichzelf over de lipidedubbellaag positioneren en de geleidbaarheid van protonen door het nanoporiënkanaal verbeteren.

"Het unieke van de aanpak is de combinatie van deze protongeleidende apparaten met ondersteunende lipidedubbellagen, en ik geloof dat wij de enige groepen zijn die daaraan werken, met dit dockontwerp voor de DNA-nanoporiën," zei Rolandi. "De nieuwigheid is zowel de integratie van het apparaat als het vermogen om te detecteren met behulp van deze DNA-nanoporiën."

In het artikel laten de onderzoekers zien dat ze het bioprotonische systeem kunnen gebruiken voor de detectie van het biomolecuul B-type natriuretisch peptide, een indicator voor hartziekten. Dit toont het potentieel van het apparaat aan voor de detectie van biomoleculen in een in vitro of klinische omgeving.

In de toekomst voorzien de onderzoekers dat het apparaat meerdere nanoporiën zou kunnen bevatten, elk geprogrammeerd om een ​​ander type biomolecuul te detecteren.

"Het maakt zeker deel uit van de aantrekkelijkheid van het systeem:in de nabije toekomst zouden we kunnen multiplexen, zodat we een volledige reeks biosensoren zouden kunnen hebben," zei Rolandi.

UCSC-onderzoekers Le (Dante) Luo, Yunjeong Park en Jesse Vicente hebben bijgedragen aan dit artikel. Onderzoekers van de Universiteit van Washington en de TOBB Universiteit voor Economie en Technologie in Ankara, Turkije namen ook deel aan dit project.

Meer informatie: Le Luo et al, DNA-nanoporiën als kunstmatige membraankanalen voor bioprotonica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Californië - Santa Cruz