Имитировав структуру антенны бабочки-шелкопряда, ученые из Университета Мичигана (University of Michigan) разработали более совершенную нанопору – крошечный инструмент, имеющий форму туннеля, с помощью которого можно глубже изучить нейродегенеративные заболевания, в том числе болезнь Альцгеймера.

Статья об их работе недавно опубликована в интернет-издании журнала Nature Nanotechnology. Проект возглавлял адъюнкт-профессор кафедр биомедицинской и химической инженерии Майкл Мейер (Michael Mayer)

Нанопоры – по сути отверстия, просверленные в кремниевом чипе – мельчайшие измерительные устройства, дающие возможность изучать отдельные молекулы, в том числе белки. Даже лучшие на сегодняшний день нанопоры легко забиваются, поэтому технология пока не получила широкого распространения в лабораториях. Более совершенные версии нанопор, как ожидается, станут главным шагом на пути к быстрому и дешевому секвенированию ДНК и анализу белков.

На создание липидного слоя в синтетических нанопорах, мельчайших измерительных инструментах, ученых вдохновило специальное покрытие нанотуннелей антенны бабочки-шелкопряда. Эту уникальную технологию разработали ученые из Университета Мичигана. Теперь они используют ее для изучения болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний. (Credit: Chris Burke)

Ученые сконструировали липидное покрытие, которое захватывает и плавно переносит через нанопору нужные им молекулы. Кроме того, оно позволяет регулировать размер поры с близкой к атомной точностью.

«Это дает нам более совершенный инструмент для характеристики биомолекул, позволяет получить представление об их размере, заряде, форме, концентрации и скорости, с которой они свертываются», – говорит о своей работе профессор Мейер. «Возможно, это поможет нам понять нарушения, происходящие при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезни Альцгеймера, Хантингтона, Паркинсона».

«Жидкий липидный слой» Мейера напоминает покрытие антенны самца бабочки-шелкопряда, с помощью которой он чувствует запах находящихся вблизи самок. Покрытие захватывает их воздуха молекулы феромонов и переносит их через нанотуннель в экзоскелет насекомого к нервным клеткам, которые посылают сообщение в его мозг.

«Молекулы феромонов липофильны и, значит, легко связываются с липидами. Таким образом, они попадают в ловушку и концентрируются на поверхности липидного слоя антенны шелкопряда. Слой способствует продвижению феромонов к месту, где они должны быть. Наше новое покрытие служит той же цели», – объясняет Мейер.

Нанопоры – измерительные устройства, позволяющие изучать отдельные молекулы, в том числе белки. На разработку нового покрытия, улучшающего функциональность нанопор, ученых вдохновил подобный слой в антенне бабочки-шелкопряда. (Фото: Chris Burke)

Одно из основных направлений исследований Мейера – изучение белков, называемых бета-амилоидными пептидами, которые, как полагают, образуют волокна, оказывающие влияние на мозг при болезни Альцгеймера. Он занимается изучением размера и формы этих волокон, а также их образованием.

«Существующие сегодня методы не позволяют детально отследить этот процесс. Мы хотели увидеть слипание этих пептидов, используя нанопоры, но при каждой попытке поры забивались», – говорит Мейер. «Тогда мы сделали это покрытие, и теперь наша идея заработала».

Для использования нанопор в экспериментах ученые расположили чип между двумя камерами с соленой водой. Они добавили нужные им молекулы в одну из камер и направили через пору электрический ток. При прохождении молекулы через пору изменяется ее электрическое сопротивление. Степень наблюдаемых изменений дает исследователям ценную информацию о размере, электрическом заряде и форме молекулы.

Благодаря небольшим размерам и низкому потреблению энергии нанопоры могут использоваться и для обнаружения боевых биологических веществ.

Нанотуннель антенны шелкопряда крупным планом. Феромоны проходят по этим туннелям, говоря самцу бабочки, что самка находится поблизости. (Фото: Chris Burke)

О значимости разработки можно судить по списку финансировавших ее организаций, среди которых Национальный научный фонд (National Science Foundation), Национальный институт здравоохранения (National Institutes of Health), Научно-исследовательский центр болезни Альцгеймера (Alzheimer's Disease Research Center), Ассоциация Альцгеймера (Alzheimer's Association) и Национальный научно-исследовательский институт генома человека (National Human Genome Research Institute), США.

Аннотация к статье Controlling Protein Translocation through Nanopores with Bio-Inspired Fluid Walls