Op nanoporie gebaseerd sensorapparaat onderzoekt neurodegeneratieve ziekten

Tau- en tubuline-eiwitten zijn twee van de belangrijkste oorzaken van veel neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson. De meeste neurodegeneratieve ziekteprogressie is gerelateerd aan de aggregatie van deze eiwitten in de hersenen.

Geïnspireerd door een van haar promovendi die tau- en tubuline-eiwitten wilde onderzoeken, creëerden Jiali Li, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Arkansas, en haar groep een speciaal op siliciumnitride gebaseerd sensorapparaat op basis van nanoporiën.

In de Tijdschrift voor toegepaste natuurkundepresenteren Mitu Acharjee en collega’s het apparaat, dat is ontworpen om volume-informatie te geven over tau- en tubuline-eiwitmoleculen en hun aggregatietoestanden op het niveau van één molecuul binnen hun oorspronkelijke omgeving.

Om de sensor te maken, onderzocht het team hoe de eiwitten de stroom en spanning veranderen die door een nanoporiënsysteem stromen.

“De wet van Ohm is de basisfysica die het nanopore-apparaat in staat stelt eiwitmoleculen te detecteren”, zei Li. “Een klein gaatje – van 6 tot 30 nanometer – wordt gemaakt in een dun siliciumnitridemembraan en ondersteund door een siliciumsubstraat. Wanneer dat in een oplossing met zoutionen wordt geplaatst, zorgt het aanleggen van een elektrische spanning ervoor dat de ionen door het gat stromen, of nanopore. Dit genereert op zijn beurt een ionische stroom met open poriën.”

Wanneer een geladen eiwitmolecuul – vaak duizenden keren groter dan de ionen – zich in de buurt van de nanoporie bevindt, wordt het ook in de nanoporie gedreven en blokkeert het de stroom van sommige ionen. Hierdoor daalt de open poriestroom.

“De hoeveelheid stroomdaling geproduceerd door een eiwitmolecuul is evenredig met het volume of de grootte en vorm van het eiwit”, zei Li. “Dit impliceert dat als eiwit A zich bindt aan eiwit B, ze een stroomdaling zullen veroorzaken die evenredig is met het volume van A + B, en een geaggregeerd eiwit A zal ongeveer meerdere hoeveelheden stroomdaling veroorzaken.”

Hierdoor kunnen Li en haar groep kijken naar de eiwitbinding en -aggregatie binnen een nanopore-apparaat. De hoeveelheid tijd dat een eiwit in een nanoporie blijft, is omgekeerd evenredig met zijn lading, wat ook nuttige informatie geeft over een eiwitmolecuul.

“Onze studie toont aan dat een siliciumnitride nanopore-apparaat volume-informatie van tau- en tubuline-eiwitmoleculen en hun aggregatie onder verschillende biologische omstandigheden kan meten, en dit geeft ons een beter begrip van het eiwitaggregatieproces, evenals het ontwikkelen van medicijnen of andere therapeutische methoden. om neurodegeneratieve ziekten te behandelen,” zei Li.

Met behulp van hun solid-state nanopore-apparaat, samen met andere nanotechnologie-instrumenten, “zijn we van plan om het mechanisme van eiwitaggregatie onder verschillende biologische omstandigheden systematisch te bestuderen, zoals temperatuur, pH en zoutconcentratie”, zei ze.

Het artikel “Karakterisering van tau- en tubuline-eiwitaggregatie door solid-state nanopore-methode en atoomkrachtmicroscopie” is geschreven door Mitu C. Acharjee, Haopeng Li, Ryan Rollings, Bo Ma, Steve Tung en Jiali Li. Het zal verschijnen in de Tijdschrift voor toegepaste natuurkunde op 10 januari 2023.