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Os pesquisadores sugerem a aproximação nova para construir um biosensor do “nanopore” para detectar moléculas específicas

Os pesquisadores passaram mais de três décadas que desenvolvem e que estudam os biosensors diminutos que podem identificar únicas moléculas. Em cinco a 10 anos, quando tais dispositivos podem se transformar um grampo nos escritórios dos doutores, poderiam detectar marcadores moleculars para o cancro e as outras doenças e avaliar a eficácia do tratamento da droga para lutar aquelas doenças.

Para ajudar a fazer que acontecem e para impulsionar a precisão e a velocidade destas medidas, os cientistas devem encontrar maneiras de compreender melhor como as moléculas interagem com estes sensores. Os pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da universidade da comunidade de Virgínia (VCU) têm desenvolvido agora uma aproximação nova. Relataram seus resultados na introdução actual de avanços da ciência.

A equipe construiu seu biosensor fazendo uma versão artificial do material biológico que forma uma membrana de pilha. Sabido como um bilayer do lipido, contem um poro minúsculo, aproximadamente 2 nanômetros (billionths de um medidor) largamente no diâmetro, cercado pelo líquido. Íons que são dissolvidos na passagem fluida através do nanopore, gerando uma corrente elétrica pequena.

Contudo, quando uma molécula do interesse é conduzida na membrana, obstrui parcialmente o fluxo da corrente. A duração e o valor deste bloqueio servem como uma impressão digital, identificando o tamanho e as propriedades de uma molécula específica.

Para fazer medidas exactas para um grande número moléculas individuais, as moléculas do interesse devem ficar no nanopore para um intervalo que seja nem demasiado longo nem demasiado curto (o tempo de “Goldilocks”), variando de 100 milhonésimos a 10 milésimo de um segundo. O problema é que a maioria de moléculas ficam somente no volume pequeno de um nanopore para este intervalo de tempo se o nanopore as mantem de algum modo no lugar.

Isto significa que o ambiente do nanopore deve fornecer uma determinada barreira -- por exemplo, a adição de uma força electrostática ou uma mudança na forma dos nanopore -- isso faz mais difícil para que as moléculas escapem.

A energia mínima exigida para romper a barreira difere para cada tipo de molécula e é crítica para que o biosensor trabalhe eficientemente e exactamente. Calcular esta quantidade envolve medir diversas propriedades relativas à energia da molécula enquanto se move e fora do poro.

Crìtica, o objetivo é medir se a interacção entre a molécula e seu ambiente elevara primeiramente de uma ligação química ou da capacidade da molécula para se contorcer livremente e se mover durante todo a captação e para liberar o processo.

Até aqui, as medidas seguras para extrair estes componentes energéticos faltaram para um número de razões técnicas. No estudo novo, uma equipe co-conduzida por Joseph Robertson do NIST e por Joseph Reiner de VCU demonstrou a capacidade para medir estas energias com um método de aquecimento rápido, baseado no laser.

As medidas devem ser conduzidas em temperaturas diferentes, e o sistema de aquecimento do laser assegura-se de que estas mudanças de temperatura ocorram ràpida e reprodutìvel. Que permite pesquisadores de terminar medidas em menos de 2 minutos, comparados aos ao 30 minutos ou mais eles exigiria de outra maneira.

Sem esta ferramenta baseada no laser nova do aquecimento, nossa experiência sugere que as medidas não estejam feitas simplesmente; seriam demasiado demorados e caros. Essencialmente, nós desenvolvemos uma ferramenta que pudesse mudar o encanamento da revelação para que os sensores do nanopore reduzam ràpida a adivinhação envolvida na descoberta do sensor.”

Joseph Robertson, National Institute of Standards and Technology

Uma vez que as medidas da energia são executadas, podem ajudar a revelar como uma molécula interage com o nanopore. Os cientistas podem então usar esta informação para determinar as melhores estratégias para detectar moléculas.

Por exemplo, considere uma molécula que interaja com o nanopore primeiramente através do produto químico -- essencialmente electrostático -- interacções. Para conseguir o tempo da captação de Goldilocks, os pesquisadores experimentaram com a alteração do nanopore de modo que sua atracção electrostática à molécula do alvo fosse nem demasiado forte nem demasiado fraca.

Com este objetivo na mente, os pesquisadores demonstraram o método com os dois peptides pequenos, correntes curtos dos compostos que formam os blocos de apartamentos de proteínas. Um dos peptides, angiotensin, estabiliza a pressão sanguínea. O outro peptide, neurotensin, ajudas regula a dopamina, um neurotransmissor que influencie o humor e possa igualmente jogar um papel no cancro colorectal.

Estas moléculas interagem com os nanopores primeiramente através das forças electrostáticas. Os pesquisadores introduzidos nos nanoparticles do ouro do nanopore tampados com um material cobrado que impulsionasse as interacções electrostáticas com as moléculas.

A equipe igualmente examinou uma outra molécula, o glicol de polietileno, cuja capacidade para se mover determina quanto hora passa no nanopore. Ordinariamente, esta molécula pode contorcer-se, girar e esticar livremente, sem sentir o peso por seu ambiente. Para aumentar o tempo de residência da molécula no nanopore, os pesquisadores alteraram a forma dos nanopore, fazendo o mais difícil para que a molécula esprema através da cavidade e da saída minúsculas.

“Nós podemos explorar estas mudanças para construir um biosensor do nanopore costurado a detectar moléculas específicas,” diz Robertson. Finalmente, um laboratório de investigação poderia empregar tal biosensor para identificar moléculas biológicas do interesse ou o escritório de um doutor poderia usar o dispositivo para identificar marcadores para a doença.

“Nossas medidas fornecem um modelo para como nós podemos alterar as interacções do poro, se seja com a geometria ou a química, ou de alguma combinação de ambos, para costurar um sensor do nanopore para detectar moléculas específicas, contando um pequeno número de moléculas, ou ambos,” disse 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.