Paano lumikha ng pinakamahusay na biosensor na “Nanopore”

Ang mga mananaliksik ay gumugol ng higit sa tatlong dekada sa pagbuo at pag-aaral ng mga maliit na biosensor na may kakayahang kilalanin ang mga indibidwal na molekula. Pagkalipas ng lima hanggang 10 taon, kung ang mga nasabing aparato ay maaaring maging sangkap na hilaw sa mga tanggapan ng mga doktor, maaari nilang makita ang mga marka ng molekula ng kanser at iba pang mga sakit at suriin ang bisa ng mga paggamot sa gamot upang labanan ang mga sakit na iyon.

Upang makatulong na gawin iyon at dagdagan kawastuhan at ang bilis ng mga pagsukat na ito, kailangang maghanap ang mga siyentista ng mga paraan upang mas maintindihan kung paano nakikipag-ugnay ang mga molekula sa mga sensor na ito. Ang mga mananaliksik mula sa National Institute of Standards and Technology (NIST) at ang Commonwealth University of Virginia (VCU) ay nakabuo ng isang bagong diskarte. Iniulat nila ang kanilang mga natuklasan sa isang kamakailang isyu Mga pagsulong sa agham.

Ang koponan ay nagtayo ng kanilang biosensor sa pamamagitan ng paggawa ng isang artipisyal na bersyon ng biological material na bumubuo sa cell membrane. Kilala bilang lipid bilayer, naglalaman ito ng isang maliit na singaw na halos 2 nanometers ang lapad (bilyon-bilyong isang metro) na napapaligiran ng isang likido. Ang mga ions, na natutunaw sa likido, ay dumadaan sa nanopore, na lumilikha ng isang maliit na kasalukuyang kuryente. Gayunpaman, kapag ang isang kagiliw-giliw na molekula ay hinihimok sa lamad, bahagyang hinaharangan nito ang daloy ng kasalukuyang. Ang tagal at kalakhan ng pagharang na ito ay nagsisilbing isang fingerprint, na tinutukoy ang laki at mga katangian ng isang partikular na molekula.


Upang makilala ang mga molekula, ang mga siyentipiko ay maaaring gumamit ng isang uri ng biosensor na tinatawag na isang nanopore – isang maliit na butas sa isang lamad na nagpapahintulot sa daluyan na dumaan dito. Kapag ang isang kagiliw-giliw na molekula ay pumasok sa isang butas, bahagyang hinaharangan nito ang daloy ng kasalukuyang, na nagbibigay ng isang senyas na maaaring magamit ng mga mananaliksik upang makilala ang Molekyul. Ngunit upang makakuha ng isang pagsusukat na husay, ang isang Molekyul ay dapat umupo sa butas nang sapat na haba. Gumagamit ang mga mananaliksik ng NIST ng ilaw ng laser upang sukatin ang enerhiya ng mga molekula habang lumilipat sila papunta at labas ng nanopores. Ang impormasyong nakuha ay makakatulong sa mga siyentipiko na bumuo ng na-optimize na mga pares upang makita ang mga tiyak na molekula. Isinulat ni Sean Kelly / Inform Studio

Upang makagawa ng tumpak na mga sukat ng isang malaking bilang ng mga indibidwal na mga molekula, ang mga molekula ng interes sa atin ay dapat na nasa nanopressure para sa isang mahaba o hindi masyadong maikli sa isang panahon (oras na “Ginintuang Buhok”), na mula sa 100 milyon hanggang sa 10,000 na libu-libo ng isang segundo . Ang problema ay ang karamihan sa mga molekula ay mananatili sa isang maliit na dami ng nanopores sa pagitan ng oras na ito kung ang nanopair ay kahit papaano ay pinanghahawakan ang mga ito sa lugar. Nangangahulugan ito na ang kapaligiran ay dapat magbigay ng isang tiyak na hadlang – tulad ng pagdaragdag ng puwersang electrostatic o pagbabago ng hugis ng nanopressure – na ginagawang mas mahirap labasan ang mga molekula.

Ang pinakamababang lakas na kinakailangan upang malusutan ang hadlang ay naiiba para sa bawat uri ng molekula at kritikal sa mahusay at tumpak na pagpapatakbo ng biosensor. Ang pagkalkula ng halagang ito ay nagsasangkot ng pagsukat ng maraming mga pag-aari na nauugnay sa lakas ng Molekyul sa panahon ng paggalaw at paglabas nito mula sa pares.

Ang kritikal na layunin ay upang masukat kung ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng Molekyul at ng kapaligiran ay nangyayari pangunahin sa pamamagitan ng isang bono ng kemikal o ang kakayahan ng Molekyul na ilipat at malayang ilipat sa buong proseso ng pagkuha at bitawan.

Hanggang ngayon, ang mga maaasahang pagsukat para sa pagkuha ng mga sangkap ng enerhiya na ito ay nawawala para sa isang bilang ng mga teknikal na kadahilanan. Sa isang bagong pag-aaral, isang koponan na pinangunahan ni Joseph Robertson ng NIST at Joseph Rayner ng IR ay nagpakita ng kakayahang sukatin ang mga energies na ito sa pamamagitan ng isang mabilis na pamamaraang pag-init na batay sa laser.

Ang mga pagsukat ay dapat gawin sa iba’t ibang mga temperatura, at ang sistema ng pag-init ng laser ay nagbibigay ng mabilis at muling nabubuo na mga pagbabago sa temperatura. Pinapayagan nitong magsagawa ang mga mananaliksik ng mga pagsukat nang mas mababa sa 2 minuto kumpara sa 30 o higit pang mga minuto na maaaring kinakailangan.

“Kung wala ang bagong kasangkapan sa pag-init na batay sa laser, ipinapakita ng aming karanasan na ang mga sukat ay hindi gagawin; masyado silang gugugol ng oras at magastos, ”Robertson said. “Mahalaga, gumawa kami ng isang tool na maaaring baguhin ang pipiliin ng sensor ng nano-pressure upang mabilis na mabawasan ang mga pagpapalagay na nauugnay sa pagtuklas ng sensor,” dagdag niya.

Matapos kumuha ng mga sukat ng enerhiya, makakatulong sila na makita kung paano nakikipag-ugnay ang Molekyul sa mga nanopore. Maaari nang magamit ng mga siyentista ang impormasyong ito upang matukoy ang pinakamahusay na mga diskarte sa pagtuklas ng molekula.

Halimbawa, isaalang-alang ang isang Molekyul na nakikipag-ugnay sa nanopores pangunahin sa pamamagitan ng kemikal – mahalagang electrostatic – pakikipag-ugnayan. Upang makamit ang oras ng pagkuha ng Goldilock, ang mga mananaliksik ay nag-eksperimento sa pagbabago ng mga nanopores upang ang pagkahumaling nito sa electrostatic sa target na Molekyul ay hindi masyadong malakas o masyadong mahina.

Sa pag-iisip na ito, nagpakita ang mga mananaliksik ng isang pamamaraan na may dalawang maliliit na peptide, mga maiikling kadena ng mga compound na bumubuo sa mga bloke ng protina. Ang isa sa mga peptide, angiotensin, nagpapatatag ng presyon ng dugo. Ang isa pang peptide, neurotensin, ay tumutulong na makontrol ang dopamine, isang neurotransmitter na nakakaapekto sa mood at maaari ding magkaroon ng papel sa kanser sa tumbong. Ang mga molekulang ito ay nakikipag-ugnay sa mga nanopower pangunahin dahil sa mga puwersang electrostatic. Ang mga mananaliksik ay nagpasok ng mga nanoparticle ng ginto sa nanopressure, tinatakan ng isang sisingilin na materyal na nagpahusay sa pakikipag-ugnayan ng electrostatic sa mga molekula.

Sinisiyasat din ng koponan ang isa pang molekula, polyethylene glycol, na ang kakayahang lumipat ay tumutukoy kung gaano karaming oras ang ginugugol nito sa nanopore. Kadalasan ang Molekyul na ito ay maaaring malayang gumalaw, paikutin at mabatak nang hindi nabibigatan ng kapaligiran. Upang madagdagan ang oras ng paninirahan ng molekula sa mga nanopores, binago ng mga mananaliksik ang hugis ng mga nanopores, na ginagawang mas mahirap para sa molekula na pigain ang maliit na lukab at exit.

“Maaari naming gamitin ang mga pagbabagong ito upang lumikha ng isang nanopressure biosensor na idinisenyo upang makita ang mga tukoy na molekula,” sabi ni Robertson. Pagkatapos ng lahat, ang isang lab ng pananaliksik ay maaaring gumamit ng naturang biosensor upang makilala ang mga kagiliw-giliw na biological na molekula, o ang tanggapan ng doktor ay maaaring gumamit ng isang aparato upang makilala ang mga marka ng sakit.

“Ang aming mga sukat ay nagbibigay ng isang plano kung paano namin mababago ang pakikipag-ugnayan ng isang pares, gamit man ang geometry o kimika, o ilang kombinasyon ng pareho, upang iakma ang isang nanopore sensor upang makita ang mga tukoy na molekula, bilangin ang isang maliit na bilang ng mga molekula, o pareho,” Sinabi ni Robertson.

Sanggunian: “Kinokontrol ng temperatura ng laser upang pag-aralan ang papel na ginagampanan ng entropy at entalpy sa pakikipag-ugnayan ng polimer-nanopore” Christopher E. Endgevin, Joseph W. F. Robertson, Amala Das at Joseph E. Rayner, Abril 21, 2021, Mga pagsulong sa agham.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf5462

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.