Ученые Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology) стали на шаг ближе к разработке инструмента для быстрого анализа крови, который может сканировать тысячи маркеров заболеваний и химических показателей здоровья. Исследователи узнали, как расшифровать электрические сигналы, генерируемые нанопорой – «воротами» в искусственной клеточной мембране диаметром менее 2 нанометров.

Изучение нанопор не являются чем-то новым. Более десяти лет ученые пытаются использовать основанные на нанопорах электрические детекторы для определения одноцепочечных ДНК в генетическом секвенировании. Недавно исследователи из NIST обратили свое внимание на использование нанопор для выявления, количественной оценки и характеристики каждого из более чем 20000 синтезируемых в организме белков– возможность, которая обеспечит «моментальный снимок» общего состояния здоровья пациента в данный момент. Но так как одномоментно в нанопору может входить только одна молекула, определить конкретно, что это за молекула, является нелегкой задачей.

Для ее решения ученые специалисты из NIST, которые ранее уже разработали метод различения как размера, так и концентрации каждого типа проходящих нанопору молекул, нашли ответ на вопрос, как же каждая их этих молекул реагируют с нанопорой. Их новая теоретическая модель описывает физическую и химическую стороны процесса того, как нанопора, по сути, «разбирает» молекулу на части. Понимание этого процесса будет способствовать использованию нанопор в области медицины.

«Эта работа делает нас на шаг ближе к реализации использования таких нанопор в качестве мощного диагностического инструмента для медицинской науки», – говорит Джозеф Рейнер (Joseph Reiner), проводивший это исследование с Джозефом Робертсоном (Joseph Robertson) и Джоном Касьяновичем (John Kasianowicz). «Это наш «камень Розетты», который позволит нам прочитать, какие молекулы только что прошли через нанопору».

Применив свои новые методы, ученые смогли с большой точностью смоделировать взаимодействие определенного типа больших молекул с нанопорой. В качестве «эталона» они использовали молекулы полиэтиленгликоля (PEG), хорошо понимаемого полимера, образующего цепочки различной длины.

«Цепочки полиэтиленгликоля могут быть очень длинными, но каждое их звено очень мало», – объясняет Касьянович. «Это очень нужная проверка, так как мы хотели увидеть, может ли нанопора различать две почти идентичные большие молекулы, различающиеся по длине всего на несколько атомов».

Устройство, разработанное учеными, способно легко различать полиэтиленгликолевые цепочки разной длины, и разработанная ими модель для описания взаимодействий между PEG и нанопорой дает основания надеяться, что, при приложении дальнейших усилий, минисенсоры можно будет легко настраивать на измерение самых различных молекул. «Очевидно, мы сможем создать набор из многих нанопор, каждая из которых будет измерять определенное вещество», – говорит Касьянович. «Так как нанопора имеет очень маленькие размеры, весь прибор с отдельными нанопорами для каждого белка организма все равно останется очень небольшим».

Каждая проходящая через нанопору молекула может быть идентифицирована с помощью мониторинга изменений, которые она вызывает в ионном токе, протекающим через мембрану. Когда различные молекулы (фиолетовые и зеленые объекты) входят в пору (показано зеленым на вставке), каждая из них уменьшает ток на определенную величину и период времени (показано соответствующей цветной схемой на диаграмме снизу) в зависимости как от размера, так и способности притягивать близлежащие ионы (красные точки). Созданная в NIST модель позволяет получить эту информацию и использовать ее для определения и описания биомаркеров в медицине. Фото: NIST

Аннотация к статье: J.E. Reiner, J.J. Kasianowicz, B.J. Nablo, and J.W. F. Robertson. Theory for polymer analysis using nanopore-based single-molecule mass spectrometry