Ученые из Национального института стандартов и технологий и Университета Содружества Виргинии разработали технологию, которая в перспективе позволит быстро и эффективно обнаруживать различные заболевания. В будущем с помощью крошечных биомолекулярных нанопор можно будет за считанные секунды сделать анализ крови и обнаружить опасные болезни в самом начале их развития.

Для создания эффективной методики диагностики, ученые использовали крошечные камеры-нанопоры, которые имитируют ионные каналы в мембранах клеток. Эти каналы используются для обнаружения и идентификации широкого спектра молекул, включая ДНК.

Ионные каналы представляют собой своеобразные шлюзы, с помощью которых клетки обнаруживают и удаляют различные вещества, включая белки, ионы и нуклеиновые кислоты. Типичный ионный канал настолько мал, что может одновременно вместить лишь одну молекулу.

Ранее ученые уже делали нанопоры в искусственных клеточных мембранах, которые затем помещали между двумя электродами. С помощью этого устройства удавалось управлять отдельными молекулами: захватывать их и удерживать в нанопорах в течение нескольких миллисекунд. Этого вполне достаточно, чтобы изучить некоторые физические характеристики исследуемого вещества, поскольку одна молекула влияет на ток и это позволяет с высокой точностью измерять ее массу и электрический заряда.

Но для реального применения в клиниках нужна более совершенная технология, которая могла бы различать не несколько типов молекул, а многие тысячи различных белков и других биомаркеров в крови. Например, изменение уровня определенного белка может указывать на начало заболевания, и если удастся создать быстрый и надежный способ найти нужный белок среди множества других, медицина вступит в новую эру диагностики.

Теперь ученым удалось расширить возможности нанопор путем присоединения к ним наночастиц золота. Таким образом, появился новый механизм контроля устройства для анализа крови – с помощью температуры.

Ученые прикрепили к нанопорам наночастицы золота с помощью тросов из комплементарных нитей ДНК. Золото имеет полезную особенность – оно хорошо поглощает свет и конвертирует его в тепло. Благодаря этому с помощью лазера можно быстро менять температуру нанопор и отслеживать реакцию отдельных молекул. Возможность быстро изменять температуру в объемах, соизмеримых с размером одиночных молекул, позволит четко разделять их различные виды. Другими словами, теперь можно надежно обнаружить и идентифицировать биомаркеры различных заболеваний, а также изучить термодинамические и кинетические процессы в отдельных молекулах.