Extreme DNA-resolutie: ruimtelijk gemultiplexte translocaties van één molecuul door een nanoporie met gecontroleerde snelheden

Aleksandra Radenovic, hoofd van het Laboratorium voor Biologie op Nanoschaal aan de School of Engineering, werkt al jaren aan het verbeteren van nanopore-technologie, waarbij een molecuul zoals DNA door een kleine porie in een membraan wordt geleid om een ​​ionische stroom te meten. Wetenschappers kunnen de DNA-volgorde van nucleotiden bepalen – die codeert voor genetische informatie – door te analyseren hoe elk deze stroom verstoort wanneer deze er doorheen gaat. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Momenteel worden de passage van moleculen door een nanoporie en de timing van hun analyse beïnvloed door willekeurige fysieke krachten, en de snelle beweging van moleculen maakt het bereiken van een hoge analytische nauwkeurigheid een uitdaging. Radenovic heeft deze problemen eerder aangepakt met optische pincetten en stroperige vloeistoffen. Nu heeft een samenwerking met Georg Fantner en zijn team in het Laboratorium voor Bio- en Nano-Instrumentatie bij EPFL de vooruitgang opgeleverd waar ze naar op zoek was – met resultaten die veel verder gaan dan DNA.

“We hebben de gevoeligheid van nanoporiën gecombineerd met de precisie van scanning-ionengeleidingsmicroscopie (SICM), waardoor we ons kunnen richten op specifieke moleculen en locaties en kunnen bepalen hoe snel ze bewegen. Deze voortreffelijke controle zou kunnen helpen een groot gat in het veld te vullen,” zegt Radenovic. De onderzoekers bereikten deze controle met behulp van een hergebruikte ultramoderne scanning-ionengeleidingsmicroscoop, onlangs ontwikkeld in het Lab voor Bio- en Nano-Instrumentatie.

Verbetering van de detectieprecisie met twee ordes van grootte

De toevallige samenwerking tussen de laboratoria werd gekatalyseerd door Ph.D. leerling Samuel Leitão. Zijn onderzoek richt zich op SICM, waarbij variaties in de ionische stroom die door een sondetip stroomt, worden gebruikt om 3D-beeldgegevens met hoge resolutie te produceren. Voor zijn Ph.D. ontwikkelde en paste Leitão SICM-technologie toe op de beeldvorming van celstructuren op nanoschaal, met behulp van een glazen nanogaatje als sonde. In dit nieuwe werk paste het team de precisie van een SICM-sonde toe op het verplaatsen van moleculen door een nanoporie, in plaats van ze er willekeurig doorheen te laten diffunderen.

Dubbed scanning ion conductance spectroscopie (SICS), de innovatie vertraagt ​​de doorvoer van moleculen door de nanoporie, waardoor duizenden opeenvolgende metingen van hetzelfde molecuul en zelfs van verschillende locaties op het molecuul mogelijk zijn. De mogelijkheid om de doorvoersnelheid te regelen en meerdere metingen van hetzelfde molecuul te gemiddelde heeft geresulteerd in een toename van de signaal-ruisverhouding van twee ordes van grootte in vergelijking met conventionele methoden.

“Wat vooral opwindend is, is dat dit verhoogde detectievermogen met SICS mogelijk overdraagbaar is naar andere solid-state en biologische nanopore-methoden, die diagnostische en sequencing-toepassingen aanzienlijk zouden kunnen verbeteren”, zegt Leitão.

Fantner vat de logica van de aanpak samen met een auto-analogie: “Stel je voor dat je auto’s heen en weer ziet rijden terwijl je voor een raam staat. Het is een stuk gemakkelijker om hun kentekennummers te lezen als de auto’s langzamer rijden en herhaaldelijk voorbijrijden.” ,” hij zegt. “We moeten ook beslissen of we 1.000 verschillende moleculen elke keer of hetzelfde molecuul 1.000 keer willen meten, wat een echte paradigmaverschuiving in het veld vertegenwoordigt.”

Deze precisie en veelzijdigheid betekenen dat de aanpak kan worden toegepast op moleculen die verder gaan dan DNA, zoals eiwitbouwstenen die peptiden worden genoemd, die zowel proteomics als biomedisch en klinisch onderzoek kunnen helpen bevorderen.

“Het vinden van een oplossing voor het sequentiëren van peptiden was een grote uitdaging vanwege de complexiteit van hun ‘kentekenplaten’, die uit 20 karakters (aminozuren) bestaan, in tegenstelling tot de vier nucleotiden van DNA”, zegt Radenovic. “Voor mij is de meest opwindende hoop dat deze nieuwe controle een gemakkelijkere weg naar peptidesequencing zou kunnen openen.”