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I ricercatori suggeriscono il nuovo approccio per costruire un biosensore “del nanopore„ per la rilevazione delle molecole specifiche

I ricercatori hanno passato più di tre decadi che sviluppano e che studiano i biosensori miniatura che possono identificare le singole molecole. Durante cinque - 10 anni, quando tali unità possono trasformarsi in in una graffetta negli uffici di medici, potrebbero individuare gli indicatori molecolari per cancro ed altre malattie e valutare l'efficacia del trattamento della droga per combattere quelle malattie.

Per contribuire a fare che accadono ed amplificare l'accuratezza e la velocità di queste misure, gli scienziati devono trovare i modi capire meglio come le molecole interagiscono con questi sensori. I ricercatori dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e la Virginia Commonwealth University (VCU) ora hanno sviluppato un nuovo approccio. Hanno riferito i loro risultati nella questione attuale degli avanzamenti di scienza.

Il gruppo ha costruito il suo biosensore facendo una versione artificiale del materiale biologico che forma una membrana cellulare. Conosciuto come doppio strato lipidico, contiene un poro minuscolo, circa 2 nanometri (billionths di un metro) largamente di diametro, circondato da liquido. Ioni che sono dissolti nel passaggio fluido attraverso il nanopore, generanti una piccola corrente elettrica.

Tuttavia, quando una molecola di interesse è guidata nella membrana, parzialmente blocca il flusso della corrente. La durata e la grandezza di questo blocco serviscono da impronta digitale, identificando la dimensione ed i beni di una molecola specifica.

Per effettuare le misure accurate per tantissime diverse molecole, le molecole di interesse devono restare nel nanopore per un intervallo che è nè troppo lungo nè troppo breve (il tempo “di Goldilocks„), variante da 100 millionths a 10 millesimi di un secondo. Il problema è che la maggior parte delle molecole restano soltanto nel piccolo volume di nanopore per questo intervallo di tempo se il nanopore in qualche modo le giudica sul posto.

Ciò significa che l'ambiente del nanopore deve fornire una determinata barriera -- per esempio, l'aggiunta di una forza elettrostatica o un cambiamento nella forma dei nanopore -- quello lo rende più difficile affinchè le molecole sfugga a.

L'energia minima richiesta per violare la barriera differisce per ogni tipo di molecola ed è critica affinchè il biosensore lavori efficientemente ed esattamente. La calcolazione della questa quantità comprende misurare parecchi beni relativi all'energia della molecola mentre si muove in e dal poro.

Criticamente, lo scopo è di misurare se l'interazione fra la molecola ed il suo ambiente risulta liberamente soprattutto da un legame chimico o dall'abilità della molecola ad oscillazione ed al movimento in tutto il trattamento della versione e di bloccaggio.

Finora, le misure affidabili per estrarre queste componenti energetiche hanno mancate per una serie di ragioni tecniche. Nel nuovo studio, un gruppo guidato co da Joseph Robertson del NIST e da Joseph Reiner di VCU ha dimostrato la capacità di misurare queste energie con un metodo di riscaldamento rapido e basato sul laser.

Le misure devono essere effettuate alle temperature differenti ed il sistema di riscaldamento del laser assicura che questi mutamenti di temperatura accadano rapido e riproducibile. Che permette ai ricercatori di completare le misure in meno di 2 minuti, confrontati ai al 30 minuti o più richiederebbe altrimenti.

Senza questo nuovo strumento basato sul laser del riscaldamento, la nostra esperienza suggerisce che le misure non siano fatte semplicemente; sarebbero troppo che richiede tempo e costose. Essenzialmente, abbiamo sviluppato uno strumento che può cambiare la conduttura dello sviluppo affinchè i sensori del nanopore diminuisse rapido la congettura in questione nella scoperta del sensore.„

Joseph Robertson, National Institute of Standards and Technology

Una volta che le misure di energia sono realizzate, possono contribuire a rivelare come una molecola interagisce con il nanopore. Gli scienziati possono poi usare questi informazioni per determinare le migliori strategie per la rilevazione delle molecole.

Per esempio, consideri una molecola che interagisce con il nanopore soprattutto attraverso il prodotto chimico -- essenzialmente elettrostatico -- interazioni. Per raggiungere il tempo di bloccaggio di Goldilocks, i ricercatori hanno sperimentato con la modificazione del nanopore in modo che la sua attrazione elettrostatica alla molecola dell'obiettivo fosse nè troppo forte nè troppo debole.

Con questo scopo in mente, i ricercatori hanno dimostrato il metodo con due piccoli peptidi, brevi catene dei composti che formano le particelle elementari delle proteine. Uno dei peptidi, angiotensina, stabilizza la pressione sanguigna. L'altro peptide, il neurotensin, guide regolamenta la dopamina, un neurotrasmettitore che influenza l'umore e può anche svolgere un ruolo nel cancro colorettale.

Queste molecole interagiscono con i nanopores soprattutto attraverso le forze elettrostatiche. I ricercatori inseriti nelle nanoparticelle dell'oro del nanopore ricoperte con un materiale fatto pagare che ha amplificato le interazioni elettrostatiche con le molecole.

Il gruppo egualmente ha esaminato un'altra molecola, polietilene glicole, di cui capacità di muoversi determina quanto tempo passa nel nanopore. Ordinariamente, questa molecola può oscillazione, girare liberamente ed allungare, non appesantito dal suo ambiente. Per aumentare il tempo di soggiorno della molecola nel nanopore, i ricercatori hanno alterato la forma dei nanopore, rendente lo più difficile affinchè la molecola schiaccino attraverso l'intercapedine e l'uscita minuscole.

“Possiamo sfruttare questi cambiamenti per costruire un biosensore del nanopore adeguato ad individuare le molecole specifiche,„ dice Robertson. Infine, un laboratorio di ricerca potrebbe impiegare un tal biosensore per identificare le molecole biologiche di interesse o un ambulatorio potrebbe utilizzare l'unità per identificare gli indicatori per la malattia.

“Le nostre misure forniscono una cianografia per come possiamo modificare le interazioni del poro, se è con la geometria o la chimica, o di una certa combinazione di entrambi, per adattare un sensore del nanopore per la rilevazione delle molecole specifiche, contando un piccolo numero di molecole, o entrambi,„ ha detto 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.