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Los investigadores sugieren la nueva aproximación para construir un biosensor del “nanopore” para descubrir las moléculas específicas

Los investigadores han pasado más de tres décadas que desarrollaban y que estudiaban los biosensores miniatura que pueden determinar las únicas moléculas. En cinco a 10 años, cuando tales dispositivos pueden convertirse en una grapa en las oficinas de los doctores, podrían descubrir los marcadores moleculares para el cáncer y otras enfermedades y fijar la eficacia del tratamiento de la droga para luchar esas enfermedades.

Para ayudar a hacer que suceso y reforzar la exactitud y la velocidad de estas mediciones, los científicos deben encontrar maneras de entender mejor cómo las moléculas obran recíprocamente con estos sensores. Los investigadores del National Institute of Standards and Technology (NIST) y de la universidad de la Commonwealth de Virginia (VCU) ahora han desarrollado una nueva aproximación. Denunciaron sus conclusión en la aplicación actual los avances de la ciencia.

Las personas construyeron su biosensor haciendo una versión artificial del material biológico que forma una membrana celular. Conocido como bilayer del lípido, contiene un poro minúsculo, cerca de 2 nanómetros (billionths de un contador) de par en par de diámetro, rodeado por el líquido. Iones que se disuelven en el pase flúido a través del nanopore, generando una pequeña corriente eléctrica.

Sin embargo, cuando una molécula del interés se impulsa en la membrana, ciega parcialmente el flujo de la corriente. La duración y la magnitud de este bloqueo sirven como huella dactilar, determinando la talla y las propiedades de una molécula específica.

Para hacer las mediciones exactas para un gran número de moléculas individuales, las moléculas del interés deben tirante en el nanopore para un intervalo que sea ni demasiado largo ni demasiado corto (el tiempo de “Goldilocks”), colocando a partir de 100 millionths a 10 milésimos de un segundo. El problema es que la mayoría de las moléculas tirante solamente en el pequeño volumen de un nanopore para este intervalo de tiempo si el nanopore de alguna manera las espera en el lugar.

Esto significa que el ambiente del nanopore debe ofrecer cierta barrera -- por ejemplo, la adición de una fuerza electroestática o un cambio en la forma de los nanopore -- eso hace más difícil para que las moléculas escape.

La energía mínima requerida para abrir brecha la barrera difiere para cada tipo de molécula y es crítica para que el biosensor trabaje eficientemente y exacto. El cálculo de esta cantidad implica el medir de varias propiedades relacionadas con la energía de la molécula mientras que se mueve en y del poro.

Crítico, la meta es medir si la acción recíproca entre la molécula y su ambiente se presenta sobre todo de un vínculo químico o de la capacidad de la molécula de menear y de moverse libremente en la captura y de liberar proceso.

Hasta ahora, las mediciones seguras para extraer estos componentes enérgicos han faltado por varias razones técnicas. En el nuevo estudio, las personas co-llevadas por José Robertson del NIST y José Reiner de VCU demostraron la capacidad de medir estas energías con un rapid, método de calefacción laser-basado.

Las mediciones se deben conducto en diversas temperaturas, y el sistema de calefacción del laser se asegura de que ocurran estos cambios de temperatura rápidamente y reproductivo. Que permite a investigadores terminar mediciones en menos de 2 minutos, comparados al 30 minutos o más ellos requeriría de otra manera.

Sin esta nueva herramienta de calefacción laser-basada, nuestra experiencia sugiere que las mediciones no serán hechas simple; serían demasiado que toma tiempo y costosas. Esencialmente, hemos desarrollado una herramienta que puede cambiar la tubería del revelado para que los sensores del nanopore reduzcan rápidamente la conjetura implicada en descubrimiento del sensor.”

José Robertson, National Institute of Standards and Technology

Una vez que se realizan las mediciones de la energía, pueden ayudar a revelar cómo una molécula obra recíprocamente con el nanopore. Los científicos pueden entonces utilizar esta información para determinar las mejores estrategias para descubrir las moléculas.

Por ejemplo, considere una molécula que obre recíprocamente con el nanopore sobre todo a través de la substancia química -- esencialmente electroestático -- acciones recíprocas. Para lograr el tiempo de la captura de Goldilocks, los investigadores experimentaron con la modificación del nanopore de modo que su atracción electroestática a la molécula del objetivo fuera ni demasiado fuerte ni demasiado débil.

Con esta meta en mente, los investigadores demostraron el método con dos pequeños péptidos, cadenas cortas de las composiciones que forman los bloques huecos de proteínas. Uno de los péptidos, angiotensina, estabiliza la presión arterial. El otro péptido, neurotensin, ayudas regula la dopamina, un neurotransmisor que influencie humor y pueda también desempeñar un papel en cáncer colorrectal.

Estas moléculas obran recíprocamente con los nanopores sobre todo a través de fuerzas electroestáticas. Los investigadores insertados en los nanoparticles del oro del nanopore capsulados con un material cargado que reforzó las acciones recíprocas electroestáticas con las moléculas.

Las personas también examinaron otra molécula, el glicol de polietileno, cuya capacidad de moverse determina cuánta hora pasa en el nanopore. Ordinariamente, esta molécula puede menear, girar y estirar libremente, descargado por su ambiente. Para aumentar el tiempo de la residencia de la molécula en el nanopore, los investigadores alteraron la forma de los nanopore, haciéndolo más difícil para que la molécula exprima a través de la cavidad y de la salida minúsculas.

“Podemos explotar estos cambios para construir un biosensor del nanopore adaptado a descubrir las moléculas específicas,” dice a Robertson. Final, un laboratorio de investigación podría emplear tal biosensor para determinar las moléculas biológicas del interés o la oficina de un doctor podría utilizar el dispositivo para determinar los marcadores para la enfermedad.

“Nuestras mediciones ofrecen una heliografía para cómo podemos modificar las acciones recíprocas del poro, si esté con geometría o química, o de una cierta combinación de ambos, para adaptar un sensor del nanopore para descubrir las moléculas específicas, contando una pequeña cantidad de moléculas, o ambos,” dijo a 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.