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Les chercheurs proposent l'approche neuve pour établir un biocapteur de « nanopore » pour trouver les molécules spécifiques

Les chercheurs ont passé plus de trois décennies développant et étudiant les biocapteurs miniatures qui peuvent recenser les molécules uniques. Pendant cinq à 10 années, quand de tels dispositifs peuvent devenir une agrafe dans les bureaux des médecins, ils pourraient trouver des marqueurs moléculaires pour le cancer et d'autres maladies et évaluer l'efficacité du traitement médicamenteux pour combattre ces maladies.

Pour aider à effectuer qui se produisent et pour amplifier l'exactitude et la vitesse de ces mesures, les scientifiques doivent trouver des moyens de comprendre mieux comment les molécules agissent l'un sur l'autre avec ces détecteurs. Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'université de Commonwealth de la Virginie (VCU) ont maintenant développé une approche neuve. Ils rapportés leurs découvertes dans la question actuelle de la Science avance.

L'équipe a établi son biocapteur en effectuant une version artificielle du matériau biologique qui forme une membrane cellulaire. Connu comme bilayer de lipide, il contient un pore minuscule, environ 2 nanomètres (milliardièmes d'un mètre) au loin de diamètre, entouré par le liquide. Ions qui sont dissous dans le passage liquide par le nanopore, produisant d'un petit courant électrique.

Cependant, quand une molécule d'intérêt est pilotée dans la membrane, il bloque partiellement le flux du courant. La durée et l'importance de ce blocus servent d'empreinte digital, recensant la taille et les propriétés d'une molécule spécifique.

Pour effectuer des mesures précises pour un grand nombre de différentes molécules, les molécules d'intérêt doivent rester dans le nanopore pour un intervalle qui n'est ni trop long ni trop court (le temps de « Goldilocks »), s'échelonnant de 100 millionths à 10 millièmes d'une seconde. Le problème est que la plupart des molécules restent seulement en petit volume d'un nanopore pour cet intervalle si le nanopore les juge d'une certaine manière en place.

Ceci signifie que l'environnement de nanopore doit fournir un certain barrage -- par exemple, l'ajout d'une force électrostatique ou un changement de la forme des nanopore -- cela le rend plus difficile pour que les molécules s'échappent.

L'énergie minimum exigée pour surmonter le barrage diffère pour chaque type de molécule et est critique pour que le biocapteur fonctionne efficacement et exactement. Prévoir cette quantité concerne mesurer plusieurs propriétés liées à l'énergie de la molécule pendant qu'il déménage dans et hors du pore.

En critique, l'objectif est de mesurer si l'interaction entre la molécule et son environnement résulte principalement d'une liaison chimique ou de la capacité de la molécule de branler et se bouger librement dans toute la saisie et de relâcher le procédé.

Jusqu'ici, les mesures fiables pour extraire ces composantes énergétiques ont été manquantes pour un certain nombre de raisons techniques. Dans l'étude neuve, une équipe dirigée par Co par Joseph Robertson de NIST et Joseph Reiner de VCU a expliqué la capacité de mesurer ces énergies avec une méthode de chauffage rapide et basée sur le laser.

Les mesures doivent être conduites aux différentes températures, et le système de chauffage de laser s'assure que ces changements de température se produisent rapidement et reproductible. Que permet à des chercheurs de compléter des mesures en moins de 2 mn, de comparé à 30 mn ou à plus il exigerait autrement.

Sans cet outil basé sur le laser neuf de chauffage, notre expérience propose que les mesures simplement ne soient pas faites ; elles seraient trop longues et coûteuses. Essentiellement, nous avons développé un outil qui peut changer le pipeline de développement pour que les détecteurs de nanopore réduisent rapidement la conjecture impliquée dans la découverte de détecteur. »

Joseph Robertson, National Institute of Standards and Technology

Une fois que les mesures d'énergie sont exécutées, elles peuvent aider à indiquer comment une molécule agit l'un sur l'autre avec le nanopore. Les scientifiques peuvent alors employer cette information pour déterminer les meilleures stratégies pour trouver des molécules.

Par exemple, considérez une molécule qui agit l'un sur l'autre avec le nanopore principalement par le produit chimique -- essentiellement électrostatique -- interactions. Pour réaliser le temps de saisie de Goldilocks, les chercheurs ont expérimenté avec modifier le nanopore de sorte que son attraction électrostatique à la molécule-cible n'ait été ni trop intense ni trop faible.

Avec cet objectif à l'esprit, les chercheurs ont expliqué la méthode avec deux petits peptides, réseaux courts des composés qui forment les synthons de protéines. Un des peptides, angiotensine, stabilise la pression sanguine. L'autre peptide, neurotensin, aides règlent la dopamine, une neurotransmetteur qui influence l'humeur et peut également jouer un rôle dans le cancer colorectal.

Ces molécules agissent l'un sur l'autre avec des nanopores principalement par les forces électrostatiques. Les chercheurs insérés dans les nanoparticles d'or de nanopore recouverts avec du matériau chargé qui a amplifié les interactions électrostatiques avec les molécules.

L'équipe a également examiné une autre molécule, le polyéthylène glycol, dont la capacité de déménager détermine combien d'heure elle passe dans le nanopore. Normalement, cette molécule peut branler, tourner et s'étendre librement, non encombré par son environnement. Pour augmenter le temps du séjour de la molécule dans le nanopore, les chercheurs ont modifié la forme des nanopore, le rendant plus difficile pour que la molécule serre par la cavité et la sortie minuscules.

« Nous pouvons exploiter ces modifications pour établir un biocapteur de nanopore conçu en fonction pour trouver les molécules spécifiques, » dit Robertson. Éventuel, un laboratoire de recherche pourrait utiliser un tel biocapteur pour recenser les molécules biologiques d'intérêt ou un cabinet médical pourrait utiliser le dispositif pour recenser des bornes pour la maladie.

« Nos mesures fournissent un modèle pour la façon dont nous pouvons modifier les interactions du pore, s'il soit par la géométrie ou chimie, ou d'une certaine combinaison de les deux, pour régler un détecteur de nanopore pour trouver les molécules spécifiques, comptant un nombre restreint de molécules, ou les deux, » a indiqué Robertson.

Source:
Journal reference:

Angevine, C. E., et al. (2021) Laser-based temperature control to study the roles of entropy and enthalpy in polymer-nanopore interactions. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.abf5462.