Onderzoek suggereert hoe een betere ‘nanopore’ biosensor kan worden gebouwd

Onderzoekers hebben meer dan drie decennia besteed aan het ontwikkelen en bestuderen van miniatuurbiosensoren die afzonderlijke moleculen kunnen identificeren. Als dergelijke apparaten binnen 5 tot 10 jaar een vast onderdeel kunnen worden in dokterspraktijken, zouden ze 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, moeten wetenschappers manieren vinden om beter te begrijpen hoe moleculen omgaan 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 de huidige uitgave van Science Advances.

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

Om nauwkeurige metingen te doen voor een groot aantal individuele moleculen, moeten de moleculen van belang in de nanoporie blijven gedurende een interval dat niet te lang en niet te kort is (de “Goudlokje” -tijd), variërend van 100 miljoenste tot 10 duizendsten van een seconde . Het probleem is dat de meeste moleculen gedurende dit tijdsinterval alleen 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 nanoporie-omgeving een bepaalde barrière moet bieden – bijvoorbeeld de toevoeging van een elektrostatische kracht of een verandering in de vorm van de nanoporie – die het voor de moleculen moeilijker maakt 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.

Cruciaal is dat het doel is om te meten of de interactie tussen het molecuul en zijn omgeving primair voortkomt uit een chemische binding of uit het vermogen van het molecuul om vrij te wiebelen en te bewegen tijdens het proces van vangen en vrijgeven.

Om een ​​aantal technische redenen ontbraken tot nu toe betrouwbare metingen om deze energetische componenten te extraheren. In de nieuwe studie toonde een team onder leiding van Joseph Robertson van NIST en Joseph Reiner van VCU het vermogen aan om deze energieën te meten met een snelle, lasergebaseerde 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 anders nodig zouden zijn.

“Zonder dit nieuwe op laser gebaseerde verwarmingstool, suggereert onze ervaring dat de metingen simpelweg niet zullen worden uitgevoerd; ze zouden te tijdrovend en duur zijn”, aldus Robertson. “In wezen hebben we een tool ontwikkeld die de ontwikkelingspijplijn voor sensoren met nanogaatjes kan veranderen om snel het giswerk bij het ontdekken van sensoren te verminderen”, voegde hij toe.

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

Kijk bijvoorbeeld eens naar een molecuul dat primair in wisselwerking staat met de nanoporie door middel van chemische – in wezen elektrostatische – interacties. Om de vangsttijd van Goldilocks te bereiken, experimenteerden de onderzoekers met het aanpassen van de nanoporie, zodat de elektrostatische aantrekkingskracht op het doelmolecuul niet te sterk en niet te zwak was.

Met dit doel voor ogen, demonstreerden de onderzoekers 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 colorectale kanker. Deze moleculen interageren voornamelijk met nanoporiën door middel van elektrostatische krachten. De onderzoekers stopten in de nanoporiën gouden nanodeeltjes afgedekt met een geladen materiaal dat de elektrostatische interacties met de moleculen versterkte.

Het team onderzocht ook een ander molecuul, polyethyleenglycol, waarvan het vermogen om te bewegen bepaalt hoeveel tijd het in de nanoporie doorbrengt. Normaal gesproken kan dit molecuul vrij wiebelen, roteren en rekken, niet gehinderd door zijn omgeving. Om de verblijftijd van het molecuul in de nanoporie te verlengen, veranderden de onderzoekers de vorm van de nanoporie, waardoor het moeilijker werd voor het molecuul om door de kleine holte te persen en eruit te komen.

“We kunnen deze veranderingen benutten om een ​​biosensor met nanoporiën te bouwen die is toegesneden op het detecteren van specifieke moleculen”, zegt Robertson. Uiteindelijk zou een onderzoekslaboratorium 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 gaat om geometrie of chemie, of een combinatie van beide, om een ​​nanoporiënsensor op maat te maken voor het detecteren van specifieke moleculen, het tellen van kleine aantallen moleculen of beide. ‘zei Robertson.