Нанопоры
Схема внутреннего механизма нанопор и соответствующая блокада тока во время секвенирования

Нанопора — это пора нанометрового размера. Она может быть создана, например, порообразующим белком или отверстием в синтетических материалах, таких как кремний или графен.

Когда нанопора присутствует в электроизолирующей мембране , ее можно использовать в качестве детектора отдельных молекул . Это может быть биологический белковый канал в липидном бислое с высоким электрическим сопротивлением , пора в твердотельной мембране или их гибрид — белковый канал, установленный в синтетической мембране. Принцип обнаружения основан на мониторинге ионного тока, проходящего через нанопору, при приложении напряжения через мембрану. Когда нанопора имеет молекулярные размеры, прохождение молекул (например, ДНК ) вызывает прерывания «открытого» уровня тока, что приводит к сигналу «события транслокации». Прохождение РНК или одноцепочечных молекул ДНК через встроенный в мембрану альфа-гемолизиновый канал (диаметром 1,5 нм), например, вызывает ~90% блокировку тока (измерено в 1 М растворе KCl). [1]

Его можно считать счетчиком Коултера для гораздо более мелких частиц. [2]

Типы

Органический

  • Нанопоры могут быть образованы порообразующими белками, [3] обычно полым ядром, проходящим через молекулу белка в форме гриба. Примерами порообразующих белков являются альфа- гемолизин , аэролизин и порин MspA . В типичных лабораторных экспериментах с нанопорами одна белковая нанопора вставляется в липидную бислойную мембрану и проводятся одноканальные электрофизиологические измерения. Более новые порообразующие белки были извлечены из бактериофагов для изучения их использования в качестве нанопор. Эти поры обычно выбираются из-за их диаметра, превышающего 2 нм, диаметра двухцепочечной ДНК. [4]
  • Более крупные нанопоры могут достигать 20 нм в диаметре. Эти поры пропускают небольшие молекулы, такие как кислород , глюкоза и инсулин , однако они не пропускают крупные молекулы иммунной системы, такие как иммуноглобулины . Например, клетки поджелудочной железы крысы микрокапсулированы, они получают питательные вещества и выделяют инсулин через нанопоры, будучи полностью изолированными от своего соседнего окружения, т. е. чужеродных клеток. Эти знания могут помочь заменить нефункциональные островки клеток Лангерганса в поджелудочной железе (ответственные за выработку инсулина) собранными клетками поросенка. Их можно имплантировать под кожу человека без необходимости использования иммунодепрессантов, которые подвергают пациентов с диабетом риску заражения.

Неорганический

  • Твердотельные нанопоры обычно изготавливаются в мембранах из кремниевых соединений, одной из наиболее распространенных является нитрид кремния . Второй тип широко используемых твердотельных нанопор — это стеклянные нанопоры, изготовленные путем лазерного вытягивания стеклянного капилляра. [5] Твердотельные нанопоры могут быть изготовлены несколькими методами, включая ионно-лучевую скульптуру , [6] диэлектрический пробой, [7] облучение электронным пучком с использованием просвечивающей электронной микроскопии [8] и травление ионного трека. [9]
  • Совсем недавно было исследовано использование графена [10] в качестве материала для твердотельного нанопорового зондирования. Другим примером твердотельных нанопор является наноструктура графена в форме коробки (BSG) . [11] Наноструктура BSG представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок каналов приблизительно равна 1 нм. Типичная ширина граней каналов составляет около 25 нм.
  • Были изготовлены настраиваемые по размеру эластомерные нанопоры, позволяющие точно измерять наночастицы, поскольку они перекрывают поток ионного тока. Эта методология измерения может использоваться для измерения широкого спектра типов частиц. В отличие от ограничений твердотельных пор, они позволяют оптимизировать величину импульса сопротивления относительно фонового тока, близко подбирая размер пор к размеру частицы. Поскольку обнаружение происходит на основе частиц за частицей, можно определить истинное среднее значение и распределение полидисперсности. [12] [13] Используя этот принцип, Izon Science Ltd разработала единственную в мире коммерческую настраиваемую систему обнаружения частиц на основе нанопор . Наноструктура графена в форме коробки (BSG) может использоваться в качестве основы для создания устройств с изменяемыми размерами пор. [11]

Секвенирование на основе нанопор

Наблюдение за тем, что проходящая нить ДНК, содержащая различные основания, соответствует сдвигам в текущих значениях, привело к развитию нанопорового секвенирования. [14] Нанопоровое секвенирование может осуществляться с помощью бактериальных нанопор, как упоминалось в предыдущем разделе, а также с помощью устройства(ов) для секвенирования нанопор, созданного Oxford Nanopore Technologies .

Идентификация мономера

С фундаментальной точки зрения, нуклеотиды из ДНК или РНК идентифицируются на основе сдвигов тока, когда цепь входит в пору. Подход, который Oxford Nanopore Technologies использует для секвенирования ДНК в нанопорах, заключается в том, что меченый образец ДНК загружается в проточную ячейку внутри нанопоры. Фрагмент ДНК направляется в нанопору и начинает разворачивание спирали. По мере того, как раскрученная спираль движется через нанопору, это коррелирует с изменением значения тока, которое измеряется в тысячах раз в секунду. Программное обеспечение для анализа нанопор может принимать это значение переменного тока для каждого обнаруженного основания и получать результирующую последовательность ДНК. [15] Аналогично с использованием биологических нанопор, когда к системе прикладывается постоянное напряжение, можно наблюдать переменный ток. Когда ДНК, РНК или пептиды входят в пору, через эту систему можно наблюдать сдвиги тока, которые характерны для идентифицируемого мономера. [16] [17]

Выпрямление ионного тока (ICR) является важным явлением для нанопор. Выпрямление ионного тока может также использоваться в качестве сенсора лекарств [18] [19] и применяться для исследования зарядового статуса в полимерной мембране. [20]

Применение к секвенированию нанопор

Помимо быстрого секвенирования ДНК , другие приложения включают разделение одноцепочечной и двухцепочечной ДНК в растворе и определение длины полимеров . На данном этапе нанопоры вносят вклад в понимание биофизики полимеров, анализ взаимодействий ДНК-белок на уровне отдельных молекул, а также секвенирование пептидов. Когда дело доходит до секвенирования пептидов, бактериальные нанопоры, такие как гемолизин , могут применяться как для секвенирования РНК, ДНК, так и совсем недавно для секвенирования белков. Например, при применении в исследовании, в котором синтезировались пептиды с одинаковым повтором глицин-пролин-пролин, а затем подвергались анализу нанопор, удалось получить точную последовательность. [21] Это также можно использовать для выявления различий в стереохимии пептидов на основе межмолекулярных ионных взаимодействий. Некоторые изменения конфигурации белка также можно наблюдать из кривой транслокации. [22] Понимание этого также вносит больше данных для полного понимания последовательности пептида в его среде. [23] Использование другой бактериальной нанопоры, аэролизиновой нанопоры, показало способность, показав аналогичную способность различать остатки в пептиде, также показало способность идентифицировать токсины, присутствующие даже в заявленных «очень чистых» образцах белка, демонстрируя при этом стабильность при различных значениях pH. [16] Ограничением использования бактериальных нанопор было бы то, что пептиды длиной всего шесть остатков были точно обнаружены, но более крупные и отрицательно заряженные пептиды приводили к большему фоновому сигналу, который не является репрезентативным для молекулы. [24]

Альтернативные приложения

С момента открытия технологии трекового травления в конце 1960-х годов фильтрующие мембраны с необходимым диаметром нашли применение в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти трековые мембраны обычно изготавливаются из полимерной мембраны с помощью процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов для формирования треков, а затем цилиндрические поры или асимметричные поры создаются вдоль трека после влажного травления.

Характеристика и измерения этих материалов, как и изготовление фильтрующих мембран с надлежащими диаметрами, имеют такое же первостепенное значение. До сих пор было разработано несколько методов, которые можно классифицировать по следующим категориям в соответствии с физическими механизмами, которые они использовали: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ); транспорт жидкости, такой как точка пузырька и транспорт газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция/десорбция азота (BEH), ртутная порометрия, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое тело (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; и молекулярный транспорт.

Совсем недавно было предложено использовать метод пропускания света [25] в качестве метода измерения размера нанопор.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Akeson M, Branton D, Kasianowicz JJ, Brandin E, Deamer DW (декабрь 1999 г.). «Дискриминация в микросекундном масштабе времени между полицитидиловой кислотой, полиадениловой кислотой и полиуридиловой кислотой как гомополимерами или как сегментами в пределах отдельных молекул РНК». Biophysical Journal . 77 (6): 3227–33. Bibcode :1999BpJ....77.3227A. doi :10.1016/S0006-3495(99)77153-5. PMC  1300593 . PMID  10585944.
  2. ^ Cornell, BA; Braach-Maksvytis, VLB; King, LG; Osman, PDJ; Raguse, B.; Wieczorek, L.; Pace, RJ (июнь 1997 г.). «Биосенсор, использующий переключатели ионных каналов». Nature . 387 (6633): 580–583. Bibcode :1997Natur.387..580C. doi :10.1038/42432. ISSN  0028-0836. PMID  9177344. S2CID  4348659.
  3. ^ Bayley H (июнь 2009). «Структура мембранного белка: пронзительные прозрения». Nature . 459 (7247): 651–2. Bibcode :2009Natur.459..651B. doi :10.1038/459651a. PMID  19494904. S2CID  205046984.
  4. ^ Фэн, Яньсяо; Чжан, Юэчуань; Ин, Цуйфэн; Ван, Дэцян; Ду, Чуньлэй (2015-02-01). «Технология секвенирования ДНК четвертого поколения на основе нанопор». Геномика, протеомика и биоинформатика . 13 (1): 4–16. doi : 10.1016/j.gpb.2015.01.009 . ISSN  1672-0229. PMC 4411503. PMID 25743089  . 
  5. ^ Steinbock LJ, Otto O, Skarstam DR, Jahn S, Chimerel C, Gornall JL, Keyser UF (ноябрь 2010 г.). «Исследование ДНК с помощью микро- и нанокапилляров и оптических пинцетов». Journal of Physics: Condensed Matter . 22 (45): 454113. Bibcode : 2010JPCM...22S4113S. doi : 10.1088/0953-8984/22/45/454113. PMID  21339600. S2CID  26928680.
  6. ^ Li J, Stein D, McMullan C, Branton D, Aziz MJ, Golovchenko JA (июль 2001 г.). «Ионно-лучевая скульптура в нанометровых масштабах». Nature . 412 (6843): 166–9. Bibcode :2001Natur.412..166L. doi :10.1038/35084037. PMID  11449268. S2CID  4415971.
  7. ^ Квок, Гарольд; Бриггс, Кайл; Табард-Косса, Винсент (21.03.2014). «Изготовление нанопор с помощью контролируемого пробоя диэлектрика». PLOS ONE . 9 (3): e92880. doi : 10.1371/journal.pone.0092880 . ISSN  1932-6203. PMC 3962464. PMID 24658537  . 
  8. ^ Мухаммад Саджир П.; Симран; Нукала, Паван; Манодж М. Варма (01.11.2022). «Приложения на основе ТЭМ в твердотельных нанопорах: от изготовления до жидкостной биовизуализации in-situ». Micron . 162 : 103347. doi :10.1016/j.micron.2022.103347. ISSN  0968-4328.
  9. ^ Влассюк, Иван; Апель, Павел Ю.; Дмитриев, Сергей Н.; Хили, Кен; Сиви, Зузанна С. (2009-12-15). «Универсальные ультратонкие нанопористые мембраны из нитрида кремния». Труды Национальной академии наук . 106 (50): 21039–21044. doi : 10.1073/pnas.0911450106 . ISSN  0027-8424. PMC 2795523. PMID 19948951  . 
  10. ^ Garaj S, Hubbard W, Reina A, Kong J, Branton D, Golovchenko JA (сентябрь 2010 г.). «Графен как субнанометровая трансэлектродная мембрана». Nature . 467 (7312): 190–3. arXiv : 1006.3518 . Bibcode :2010Natur.467..190G. doi :10.1038/nature09379. PMC 2956266 . PMID  20720538. 
  11. ^ ab Лапшин Р.В. (2016). "Наблюдение с помощью СТМ коробчатой ​​графеновой наноструктуры, возникшей после механического расщепления пиролитического графита" (PDF) . Applied Surface Science . 360 : 451–460. arXiv : 1611.04379 . Bibcode :2016ApSS..360..451L. doi :10.1016/j.apsusc.2015.09.222. S2CID  119369379.
  12. ^ Roberts GS, Kozak D, Anderson W, Broom MF, Vogel R, Trau M (декабрь 2010 г.). «Настраиваемые нано/микропоры для обнаружения и дискриминации частиц: сканирующая ионная окклюзионная спектроскопия». Small . 6 (23): 2653–8. doi :10.1002/smll.201001129. PMID  20979105.
  13. ^ Sowerby SJ, Broom MF, Petersen GB (апрель 2007 г.). «Динамически изменяемые апертуры нанометрового масштаба для молекулярного зондирования». Датчики и приводы B: Химия . 123 (1): 325–30. doi :10.1016/j.snb.2006.08.031.
  14. ^ Clarke J, Wu HC, Jayasinghe L, Patel A, Reid S, Bayley H (апрель 2009 г.). «Непрерывная идентификация оснований для секвенирования ДНК с использованием нанопор с одной молекулой». Nature Nanotechnology . 4 (4): 265–70. Bibcode : 2009NatNa...4..265C. doi : 10.1038/nnano.2009.12. PMID  19350039.
  15. ^ Li S, Cao C, Yang J, Long YT (2019-01-02). «Обнаружение пептидов с различными зарядами и длинами с использованием нанопор Aerolysin». ChemElectroChem . 6 (1): 126–129. doi : 10.1002/celc.201800288 .
  16. ^ ab Wang Y, Gu LQ, Tian K (август 2018 г.). «Нанопоры аэролизина: от пептидомных до геномных приложений». Nanoscale . 10 (29): 13857–13866. doi :10.1039/C8NR04255A. PMC 6157726 . PMID  29998253. 
  17. ^ Bharagava RN, Purchase D, Saxena G, Mulla SI (2019). «Применение метагеномики в микробной биоремедиации загрязняющих веществ». Микробное разнообразие в геномную эру . Elsevier. стр. 459–477. doi :10.1016/b978-0-12-814849-5.00026-5. ISBN 9780128148495. S2CID  134957124.
  18. ^ Wang J, Martin CR (февраль 2008 г.). «Новая парадигма обнаружения лекарств на основе выпрямления ионного тока в конической нанопоре». Nanomedicine . 3 (1): 13–20. doi :10.2217/17435889.3.1.13. PMID  18393663. S2CID  37103067.
  19. ^ Guo Z, Wang J, Wang E (январь 2012 г.). «Избирательная дискриминация малых гидрофобных биомолекул на основе выпрямления ионного тока в коническом наноканале». Talanta . 89 : 253–7. doi :10.1016/j.talanta.2011.12.022. PMID  22284488.
  20. ^ Guo Z, Wang J, Ren J, Wang E (сентябрь 2011 г.). «pH-обратное ионное выпрямление тока, отображаемое коническим наноканалом без каких-либо изменений». Nanoscale . 3 (9): 3767–73. Bibcode :2011Nanos...3.3767G. doi :10.1039/c1nr10434a. PMID  21826328. S2CID  205795031.
  21. ^ Sutherland TC, Long YT, Stefureac RI, Bediako-Amoa I, Kraatz HB, Lee JS (июль 2004 г.). «Структура пептидов, исследованная с помощью анализа нанопор». Nano Letters . 4 (7): 1273–1277. Bibcode : 2004NanoL...4.1273S. doi : 10.1021/nl049413e.
  22. ^ Шмид, Соня; Штёммер, Пьер; Диц, Хендрик; Деккер, Сис (2021-03-09). «Нанопористая электроосмотическая ловушка для исследования отдельных белков и их конформаций без использования меток». doi :10.1101/2021.03.09.434634. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  23. ^ Schiopu I, Iftemi S, Luchian T (2015-01-13). «Исследование стереоселективных взаимодействий между Cu(2+) и аминокислотами D,L-гистидина, сконструированными в аналоге амилоидного фрагмента, на нанопорах». Langmuir . 31 (1): 387–96. doi :10.1021/la504243r. PMID  25479713.
  24. ^ Li S, Cao C, Yang J, Long YT (2019). «Обнаружение пептидов с различными зарядами и длинами с использованием нанопор Aerolysin». ChemElectroChem . 6 (1): 126–129. doi : 10.1002/celc.201800288 .
  25. ^ Yang L, Zhai Q, Li G, Jiang H, Han L, Wang J, Wang E (декабрь 2013 г.). «Метод пропускания света для измерения размера пор в трековых мембранах». Chemical Communications . 49 (97): 11415–7. doi :10.1039/c3cc45841e. PMID  24169442. S2CID  205842947.

Дальнейшее чтение

  • Hou X, Guo W, Jiang L (май 2011 г.). «Биомиметические интеллектуальные нанопоры и наноканалы». Chemical Society Reviews . 40 (5): 2385–401. doi :10.1039/C0CS00053A. PMID  21308139.
  • Hou X, Jiang L (ноябрь 2009 г.). «Учимся у природы: создание био-вдохновленных интеллектуальных наноканалов». ACS Nano . 3 (11): 3339–42. doi :10.1021/nn901402b. PMID  19928930.
  • Hou X, Zhang H, Jiang L (май 2012). «Создание искусственных функциональных наноканалов на основе биотехнологий: от симметричной к асимметричной модификации». Angewandte Chemie . 51 (22): 5296–307. doi :10.1002/anie.201104904. PMID  22505178.
  • Wang H, Dunning JE, Huang AP, Nyamwanda JA, Branton D (сентябрь 2004 г.). «Гетерогенность ДНК и фосфорилирование, раскрытые с помощью электрофореза одиночных молекул». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (37): 13472–7. Bibcode : 2004PNAS..10113472W. doi : 10.1073/pnas.0405568101 . PMC  518781. PMID  15342914 .
  • Компьютерное моделирование нанопоровых устройств
  • Конические нанопоровые датчики
  • Биомиметические каналы и ионные устройства
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Нанопоры&oldid=1189571530"