Nieuw gekoppeld nanoporieplatform biedt grotere precisie bij het detecteren van moleculen

“Als complexe levende systemen hebben we waarschijnlijk biljoenen en biljoenen minuscule nanoscopische gaatjes in onze cellen die de cruciale processen die ons in leven houden en wie we zijn, mogelijk maken en reguleren”, zegt Marija Drndić, een natuurkundige aan de Universiteit van Pennsylvania die synthetische versies ontwikkelt van de biologische poriën die “de uitwisseling van ionen en moleculen door het hele lichaam begeleiden”.

Volgens Drndić heeft de mogelijkheid om de stroom van moleculen door deze poriën te controleren en te monitoren de afgelopen twee decennia nieuwe onderzoeksmogelijkheden geopend. Ook het vakgebied van synthetische nanoporiën, waarbij materialen als grafeen en silicium worden geboord met kleine gaatjes, heeft al geleid tot aanzienlijke vooruitgang in DNA-sequencing.

In een artikel gepubliceerd in Natuur NanotechnologieDrndić en Dimitri Monos, haar vaste partner aan de Perelman School of Medicine en het Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP), presenteerden een nieuw soort nanoporetechnologie met de ontwikkeling van een dubbellaags nanoporesysteem: een ontwerp dat bestaat uit twee of meer nanoporen, op slechts nanometers afstand van elkaar gestapeld, wat een nauwkeurigere detectie en controle van moleculen zoals DNA mogelijk maakt terwijl ze erdoorheen gaan.

“Met de huidige platforms is het zo dat wanneer moleculen zoals DNA op de nanoporiën worden geplaatst, het lijkt op spaghetti in een pan: het is in de knoop en lastig om mee te werken, laat staan ​​om door één enkel gat te leiden”, aldus Monos.

Normaal gesproken moeten onderzoekers eiwitten gebruiken om het af te wikkelen en recht te maken. Dat is weliswaar effectief, maar kent ook veel beperkingen vanwege de afbraak die leidt tot een verminderde gevoeligheid en een kortere operationele levensduur, zegt hij.

“Maar met dit nieuwe ontwerp”, zegt Monos, “leiden we moleculen in feite door twee gekoppelde nanoporiën in het materiaal, waardoor de moleculen gecontroleerd en soepeler kunnen passeren en ze gemakkelijker te detecteren en analyseren zijn.”

De onderzoekers noemen dit nieuwe platform GURU om aan te geven dat het een “geleide en herbruikbare” manier is om moleculen te bestuderen. Dit brengt een aantal belangrijke voordelen met zich mee, waarvan de belangrijkste is dat de lengte en conformatie van moleculen beter kunnen worden beoordeeld als ze door de nanoporiën gaan.

“Omdat we de precieze afstand tussen de twee nanoporiën kennen, kunnen we het gebruiken als een soort liniaal”, zegt Drndić, “om de signalen te vergelijken om de exacte lengte van het DNA dat erdoorheen gaat te bepalen.” Dit systeem biedt onderzoekers een ongekend niveau van controle, waardoor ze moleculaire eigenschappen nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen meten.

Deze hogere resolutie geeft een duidelijker beeld van de vorm en structuur van moleculen, waaronder DNA, RNA en eiwitten.

In tegenstelling tot traditionele systemen met één porie, maakt GURU langere tijden in de detectiezone mogelijk, wat het detectieproces verbetert. Een van de meest intrigerende resultaten van deze vertraging is de ontdekking van unieke signaalpatronen in de vorm van de letters “W” en “T”, een kenmerk dat de postdoctorale onderzoeker en eerste auteur van het artikel, Chih-Yuan (Scottie) Lin, als eerste opmerkte.

“Deze patronen komen overeen met de manier waarop moleculen interacteren met het dual-pore systeem,” zegt Lin. “Wanneer we signalen meten die eruit zien als een ‘W’, komt dat doordat het molecuul in volgorde in contact komt met zowel de onderste als de bovenste nanoporiën, wat weerspiegelt hoe het de onderste porie binnengaat, er lichtjes uitkomt en vervolgens weer in contact komt met de bovenste laag.”

Dankzij dit patroon krijgen de onderzoekers gedetailleerde informatie over de passage van het molecuul door het systeem en worden de interacties met elke laag zichtbaar.

Het T-vormige signaal, zegt Lin, treedt op wanneer een molecuul lang genoeg is om beide nanoporiën tegelijkertijd te blokkeren, wat een duidelijke indicatie geeft van de volledige lengte. “Deze signalen geven ons realtime gegevens over de lengte en positie van het molecuul.”

Naarmate de teams hun systeem verder verfijnen, zijn ze van mening dat dit kan leiden tot efficiëntere, nauwkeurigere en kosteneffectievere sequentietechnologieën die de beperkingen van huidige op eiwitten gebaseerde nanoporesystemen overwinnen.

“Wat onze samenwerking echt verstevigde, was het gedeelde doel om de sequentietechnologie te verbeteren, met name voor toepassingen zoals human leukocytic antigen (HLA)-genen die lange DNA-reads vereisen”, zegt Monos. Als directeur van het Immunogenetics Laboratory bij CHOP werkt hij uitgebreid met HLA-genen, die cruciaal zijn voor de compatibiliteit van het immuunsysteem bij orgaantransplantatie.

“HLA-genen behoren tot de meest complexe regio’s van het menselijk genoom, en nauwkeurige long-read-sequencing is essentieel om hun variaties te begrijpen,” zegt Monos. “Daar komt nanopore-technologie zoals GURU om de hoek kijken; het biedt de mogelijkheid voor nauwkeurigere en uitgebreidere sequencing in dit uitdagende gebied.”

Door de noodzaak voor eiwitten te elimineren en een zuiver vast systeem te creëren, hebben hun gezamenlijke inspanningen een platform opgeleverd dat niet alleen de nanoporetechnologie verder brengt, maar ook nieuwe mogelijkheden biedt voor klinische toepassingen.

“De problemen die we proberen op te lossen met nanoporiën, zoals DNA-sequencing en moleculaire detectie, vereisen expertise van mensen van over de hele wereld,” zegt Drndić, “het gaat niet alleen om de fysica of materiaalkunde. We hebben input nodig van biologen om de moleculen te begrijpen, chemici om te helpen met de reacties en medische professionals om de toepassingen in de echte wereld te zien.”