Как создать более точный биосенсор на основе нанопор
Исследователи из NIST и Университета Содружества Виргинии разработали новый подход к улучшению биосенсоров, которые могут идентифицировать отдельные молекулы. Такие устройства в будущем смогут обнаруживать маркеры рака и других заболеваний.
Принцип работы сенсора
Биосенсор создан на основе искусственной липидной бислоя — материала клеточной мембраны. В нём есть нанопора диаметром около 2 нм, окружённая жидкостью. Когда ионы проходят через пору, возникает электрический ток. Молекула, попадая в пору, частично блокирует ток, и параметры этой блокады (длительность и величина) служат «отпечатком пальца» для идентификации молекулы.
Ключевая проблема и решение
Для точных измерений молекула должна находиться в поре оптимальное время («золотая середина») — от 100 микросекунд до 10 миллисекунд. Чтобы удержать молекулу, нужен энергетический барьер (например, электростатическая сила или изменение формы поры).
Минимальная энергия, необходимая для преодоления барьера, уникальна для каждого типа молекул. До сих пор не было надёжных методов измерения этих энергетических компонентов, чтобы понять, обусловлено ли взаимодействие молекулы с порой химической связью или подвижностью молекулы.
Новый метод
Команда под руководством Джозефа Робертсона (NIST) и Джозефа Райнера (VCU) применила быстрый лазерный нагрев для измерения энергий. Метод позволяет менять температуру быстро и воспроизводимо, сокращая время измерений с более чем 30 минут до менее 2 минут.
«Без этого нового инструмента измерения просто не проводились бы — они были бы слишком трудоёмкими и дорогими», — отметил Робертсон.
Практическое применение
Измерения энергии помогают понять, как молекула взаимодействует с нанопорой, и определить оптимальную стратегию детектирования.
Для молекул с электростатическим взаимодействием (например, пептиды ангиотензин, регулирующий кровяное давление, и нейротензин, влияющий на дофамин) исследователи усилили притяжение, добавив в пору заряженные золотые наночастицы.
Для молекул, чьё время пребывания определяется подвижностью (например, полиэтиленгликоль), они изменили форму поры, затруднив выход молекулы.
«Наши измерения дают схему, как модифицировать взаимодействия поры — через геометрию или химию, — чтобы создать сенсор для детектирования конкретных молекул», — сказал Робертсон.
Этот подход может ускорить разработку нанопоровых сенсоров для научных лабораторий и клинической диагностики.