Исследователи из США разработали нанопоры, которые могут осуществлять контролируемое улавливание, концентрирование и перемещение молекул определенного сорта. Разработка, идеей которой послужило восковое покрытие усиков-антенн насекомых, сможет помочь в определении характеристик белков и мембран для разработки терапевтических препаратов.

Нанопоры (nanopores) представляют собой тип сенсоров для обнаружения наноразмерных объектов как, например, отдельные молекулы простых и сложных белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул, главным образом участвующих в химико-биологических процессах. В отличие от классических сенсоров, конструкция которых основана на компактной форме вещества, нанопоры позволяют наблюдать статические и динамические состояния макромолекул, которые невозможно определить с помощью других аналитических систем. В настоящее время сразу несколько исследовательских групп разрабатывает сенсорные системы на основе нанопор, которые будут способны проводить секвенирование индивидуальной молекулы ДНК.

Рис. 1. Идеей для создания новых нанопор (справа)
послужило строение распознающей феромоновые сигналы
антенны насекомого. (Рисунок из Nat. Nanotechnol., 2011,
DOI: 10.1038/nnano.2011.12).

Несмотря на преимущества аналитических систем на основе нанопор, у них есть свои и довольно существенные недостатки – поры могут закупориваться, зачастую они не могут различать проходящие через них объекты, а также они не всегда дают возможность изучаемым объектам контролируемо проходить через нанопоры – все эти недостатки существенно ограничивают практическое применение сенсоров на основе нанопор для анализа.

Майкл Майер (Michael Mayer) из Университета Мичигана нашли способ решения описанных выше проблем. Идеей для создания модифицированных нанопор послужили антенны насекомых, на поверхности которых находится воскообразное вязкое покрытие, которое облегчает обнаружение находящихся в воздухе сигнальных веществ, использующихся насекомыми для коммуникации – феромонов. Легкость связывания феромонов с липидным слоем обуславливает легкое связывание и концентрирование феромонов, а также последующий их транспорт к нервным клеткам насекомого. Взяв за основу природный подход, исследователи из группы Майер разработали различные двухслойные липидные покрытия для синтетических нанопор. Новые покрытия существенно увеличили чувствительность сенсорных систем на основе нанопор.

Во время испытаний исследователи обнаружили, что покрытия способны захватывать белки даже из очень разбавленных растворов, селективно различая различные типы молекул и именяя скорость прохождения белка по системе. В последнем случае «скорость дрейфа» белка определяется вязкостью покрытия. Майер отмечает, что для ранее разработанных систем на основе нанопор такие возможности были просто недостижимы.

Сюзанна Сиви (Zuzanna Siwy), эксперт по нанопорам из Университета Калифорнии соглашается с изобретателями нового сенсора в том, что они смогли создать систему, решающую ряд серьезных проблем, характерных для существующих синтетических нанопор. Появляется возможность регулирования движения молекулы через нанопору, и именно эта возможность позволяет увеличивать точность и чувствительность определения, а помимо этого в новом сенсоре исключена возможность прочного связывания молекулы белка со стенками нанопоры.

Сальвадор Мафе (Salvador Mafé), еще один специалист по нанопорам из Университета Валенсии подчеркивает, что не только Майер, но и ряд других исследовательских групп пытаются модифицировать эти системы, беря за основу «технические решения» Природы. Он добавляет, что исследователи из Мичигана сделали первый шаг к практическому применению аналитических сенсоров на основе нанопор, однако, необходим еще ряд модификаций, связанных с увеличением стабильности новых систем и повышению их производительности при работе в самом разнообразном химическом окружении.