Нанопор
Нанопора – это пора нанометрового размера. Например, оно может быть создано порообразующим белком или дырой в синтетических материалах, таких как кремний или графен.
Когда нанопора присутствует в электроизолирующей мембране , ее можно использовать в качестве детектора одиночных молекул . Это может быть биологический белковый канал в липидном бислое с высоким электрическим сопротивлением , пора в твердотельной мембране или их гибрид – белковый канал, расположенный в синтетической мембране. Принцип обнаружения основан на мониторинге ионного тока, проходящего через нанопору, при приложении напряжения к мембране. Когда нанопора имеет молекулярные размеры, прохождение молекул (например, ДНК ) вызывает прерывание уровня «открытого» тока, что приводит к сигналу «события транслокации». Например, прохождение молекул РНК или одноцепочечной ДНК через встроенный в мембрану канал альфа-гемолизина (диаметром 1,5 нм) вызывает блокировку тока на ~ 90% (измерено в 1 М растворе KCl). [1]
Его можно рассматривать как счетчик Коултера для частиц гораздо меньшего размера. [2]
Типы
[ редактировать ]Органический
[ редактировать ]- Нанопоры могут быть образованы порообразующими белками. [3] обычно полое ядро, проходящее через белковую молекулу грибовидной формы. Примерами порообразующих белков являются альфа- гемолизин , аэролизин и порин MspA . В типичных лабораторных экспериментах с нанопорами одна белковая нанопора вставляется в липидную бислойную одноканальные электрофизиологические мембрану и проводятся измерения. Новые порообразующие белки были извлечены из бактериофагов для изучения их использования в качестве нанопор. Эти поры обычно выбираются из-за того, что их диаметр превышает 2 нм (диаметр двухцепочечной ДНК). [4]
- Более крупные нанопоры могут достигать 20 нм в диаметре. Эти поры пропускают небольшие молекулы, такие как кислород , глюкоза и инсулин, крупных молекул иммунной системы, таких как иммуноглобины однако они препятствуют прохождению . Например, клетки поджелудочной железы крысы микроинкапсулированы, они получают питательные вещества и выделяют инсулин через нанопоры, будучи полностью изолированными от соседнего окружения, т.е. чужеродных клеток. Эти знания могут помочь заменить нефункциональные островки клеток Лангерганса в поджелудочной железе (отвечающие за выработку инсулина) собранными клетками поросят. Их можно имплантировать под кожу человека без необходимости использования иммунодепрессантов, которые подвергают пациентов с диабетом риску заражения.
Неорганический
[ редактировать ]- Твердотельные нанопоры обычно создаются в мембранах из соединений кремния , одним из наиболее распространенных из которых является нитрид кремния . Вторым типом широко используемых твердотельных нанопор являются стеклянные нанопоры, изготовленные путем лазерного вытягивания стеклянного капилляра. [5] Твердотельные нанопоры могут быть изготовлены с помощью нескольких методов, включая ионно-лучевую лепку , [6] пробой диэлектрика, [7] воздействие электронным лучом с использованием ПЭМ [8] и травление ионных треков. [9]
- В последнее время использование графена [10] в качестве материала для твердотельного зондирования нанопор. Другим примером твердотельных нанопор является коробчатая наноструктура графена (BSG) . [11] Наноструктура БСГ представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок канала примерно равна 1 нм. Типичная ширина граней канала составляет около 25 нм.
- Были изготовлены эластомерные нанопоры с регулируемым размером, позволяющие точно измерять наночастицы, поскольку они перекрывают поток ионного тока. Эту методологию измерения можно использовать для измерения широкого спектра типов частиц. В отличие от ограничений твердотельных пор, они позволяют оптимизировать величину импульса сопротивления относительно фонового тока путем точного согласования размера пор с размером частиц. Поскольку обнаружение происходит по частицам, можно определить истинное среднее значение и распределение полидисперсности. [12] [13] разработала единственную в мире коммерческую перестраиваемую систему обнаружения частиц на основе нанопор Используя этот принцип, компания Izon Science Ltd . Наноструктура графена коробчатой формы (BSG) может быть использована в качестве основы для создания устройств с изменяемым размером пор. [11]
Секвенирование на основе нанопор
[ редактировать ]Наблюдение того, что проходящая цепь ДНК, содержащая разные основания, соответствует сдвигу значений тока, привело к развитию секвенирования нанопор. [14] Секвенирование нанопор может осуществляться с использованием бактериальных нанопор, как упомянуто в приведенном выше разделе, а также с помощью устройств для секвенирования Nanopore, созданных Oxford Nanopore Technologies .
Идентификация мономера
[ редактировать ]С фундаментальной точки зрения нуклеотиды ДНК или РНК идентифицируются на основе изменений тока при входе нити в пору. Подход, который Oxford Nanopore Technologies использует для секвенирования ДНК нанопор, меченый образец ДНК загружается в проточную ячейку внутри нанопоры. Фрагмент ДНК направляется в нанопору и начинает разворачивание спирали. Движение раскрученной спирали через нанопору коррелирует с изменением значения тока, которое измеряется тысячами раз в секунду. Программное обеспечение для анализа нанопор может принять это значение переменного тока для каждого обнаруженного основания и получить результирующую последовательность ДНК. [15] Аналогично с использованием биологических нанопор: когда к системе приложено постоянное напряжение, можно наблюдать переменный ток. При попадании ДНК, РНК или пептидов в пору в этой системе можно наблюдать сдвиги тока, характерные для идентифицируемого мономера. [16] [17]
Выпрямление ионного тока (ICR) является важным явлением для нанопор. Выпрямитель ионного тока также можно использовать в качестве датчика наркотиков. [18] [19] и использоваться для исследования состояния заряда полимерной мембраны. [20]
Приложения к секвенированию нанопор
[ редактировать ]Помимо быстрого секвенирования ДНК , другие применения включают разделение одноцепочечной и двухцепочечной ДНК в растворе и определение длины полимеров . На этом этапе нанопоры вносят вклад в понимание биофизики полимеров, анализ одиночных молекул ДНК-белковых взаимодействий, а также секвенирование пептидов. Когда дело доходит до секвенирования пептидов, бактериальные нанопоры, такие как гемолизин , могут применяться как к РНК, ДНК, так и к секвенированию белков. Например, при применении в исследовании, в котором пептиды с одинаковыми повторами глицин-пролин-пролин были синтезированы, а затем подвергнуты анализу нанопор, удалось получить точную последовательность. [21] Это также можно использовать для выявления различий в стереохимии пептидов на основе межмолекулярных ионных взаимодействий. Некоторые изменения конфигурации белка также можно было наблюдать по кривой транслокации. [22] Понимание этого также дает больше данных для полного понимания последовательности пептида в его окружении. [23] Использование другой нанопор бактериального происхождения, нанопор аэролизина , продемонстрировало способность, продемонстрировав аналогичную способность различать остатки внутри пептида, а также продемонстрировало способность идентифицировать токсины, присутствующие даже в заявленных «очень чистых» образцах белка, демонстрируя при этом стабильность при различных значениях pH. . [16] Ограничением использования бактериальных нанопор может быть то, что пептиды длиной до шести остатков будут точно обнаружены, но более крупные и отрицательно заряженные пептиды приводят к большему фоновому сигналу, который не является репрезентативным для молекулы. [24]
Альтернативные приложения
[ редактировать ]С момента открытия технологии трекового травления в конце 1960-х годов фильтрующие мембраны необходимого диаметра нашли применение в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти трековые мембраны обычно изготавливаются из полимерной мембраны с помощью процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов с образованием треков, а затем после влажного травления вдоль трека создаются цилиндрические поры или асимметричные поры.
Так же важно, как и изготовление фильтрующих мембран надлежащего диаметра, характеристики и измерения этих материалов имеют такое же первостепенное значение. До сих пор было разработано несколько методов, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от используемых физических механизмов: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), атомно-силовая микроскопия (AFM). ); транспорт жидкости, такой как точка пузырька и транспорт газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция/десорбция азота (BEH), ртутная порометрия, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое тело (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; и молекулярный транспорт.
В последнее время использование техники пропускания света [25] в качестве метода измерения размера нанопор был предложен.
См. также
[ редактировать ]- Кулоновская блокада
- гемолизин
- Нанофлюидика
- нанометр
- Нанопоровое секвенирование
- Нанопористые материалы
- Порообразующий токсин
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Акесон М., Брэнтон Д., Касьянович Дж.Дж., Брандин Э., Димер Д.В. (декабрь 1999 г.). «Дискриминация в микросекундном масштабе времени между полицитидиловой кислотой, полиадениловой кислотой и полиуридиловой кислотой как гомополимерами или сегментами внутри отдельных молекул РНК» . Биофизический журнал . 77 (6): 3227–33. Бибкод : 1999BpJ....77.3227A . дои : 10.1016/S0006-3495(99)77153-5 . ПМЦ 1300593 . ПМИД 10585944 .
- ^ Корнелл, бакалавр; Браах-Максвитис, ВЛБ; Кинг, LG; Осман, PDJ; Рагузе, Б.; Вечорек, Л.; Пейс, Р.Дж. (июнь 1997 г.). «Биосенсор, использующий переключатели ионных каналов» . Природа . 387 (6633): 580–583. Бибкод : 1997Natur.387..580C . дои : 10.1038/42432 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 9177344 . S2CID 4348659 .
- ^ Бэйли Х. (июнь 2009 г.). «Мембранно-белковая структура: глубокие открытия». Природа . 459 (7247): 651–2. Бибкод : 2009Natur.459..651B . дои : 10.1038/459651a . ПМИД 19494904 . S2CID 205046984 .
- ^ Фэн, Яньсяо; Чжан, Юечуань; Ин, Цуйфэн; Ван, Дэцян; Ду, Чунлей (01 февраля 2015 г.). «Технология секвенирования ДНК четвертого поколения на основе нанопор» . Геномика, протеомика и биоинформатика . 13 (1): 4–16. дои : 10.1016/j.gpb.2015.01.009 . ISSN 1672-0229 . ПМК 4411503 . ПМИД 25743089 .
- ^ Стейнбок Л.Дж., Отто О., Скарстам Д.Р., Ян С., Чимерел С., Горналл Дж.Л., Кейзер У.Ф. (ноябрь 2010 г.). «Зондирование ДНК микро- и нанокапиллярами и оптическим пинцетом». Физический журнал: конденсированное вещество . 22 (45): 454113. Бибкод : 2010JPCM...22S4113S . дои : 10.1088/0953-8984/22/45/454113 . ПМИД 21339600 . S2CID 26928680 .
- ^ Ли Дж., Стейн Д., Макмаллан С., Брэнтон Д., Азиз М.Дж., Головченко Дж.А. (июль 2001 г.). «Ионно-лучевая скульптура нанометровых масштабов» . Природа . 412 (6843): 166–9. Бибкод : 2001Natur.412..166L . дои : 10.1038/35084037 . ПМИД 11449268 . S2CID 4415971 .
- ^ Квок, Гарольд; Бриггс, Кайл; Табард-Косса, Винсент (21 марта 2014 г.). «Изготовление нанопор путем контролируемого пробоя диэлектрика» . ПЛОС ОДИН . 9 (3): е92880. дои : 10.1371/journal.pone.0092880 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 3962464 . ПМИД 24658537 .
- ^ Мухаммад Сажир П; Симран; Нукала, Паван; Манодж М. Варма (01 ноября 2022 г.). «Приложения на основе TEM в твердотельных нанопорах: от изготовления до биоизображения жидкости in-situ» . Микрон . 162 : 103347. doi : 10.1016/j.micron.2022.103347 . ISSN 0968-4328 .
- ^ Власюк, Иван; Апель, Павел Юрьевич; Дмитриев Сергей Н.; Хили, Кен; Сиви, Зузанна С. (15 декабря 2009 г.). «Универсальные ультратонкие нанопористые мембраны из нитрида кремния» . Труды Национальной академии наук . 106 (50): 21039–21044. дои : 10.1073/pnas.0911450106 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2795523 . ПМИД 19948951 .
- ^ Гарай С., Хаббард В., Рейна А., Конг Дж., Брэнтон Д., Головченко Дж.А. (сентябрь 2010 г.). «Графен как субнанометровая трансэлектродная мембрана» . Природа . 467 (7312): 190–3. arXiv : 1006.3518 . Бибкод : 2010Natur.467..190G . дои : 10.1038/nature09379 . ПМК 2956266 . ПМИД 20720538 .
- ^ Jump up to: а б Лапшин Р.В. (2016). «СТМ-наблюдение коробчатой графеновой наноструктуры, появившейся после механического расщепления пиролитического графита» (PDF) . Прикладная наука о поверхности . 360 : 451–460. arXiv : 1611.04379 . Бибкод : 2016ApSS..360..451L . дои : 10.1016/j.apsusc.2015.09.222 . S2CID 119369379 .
- ^ Робертс Г.С., Козак Д., Андерсон В., Брум М.Ф., Фогель Р., Трау М. (декабрь 2010 г.). «Настраиваемые нано/микропоры для обнаружения и распознавания частиц: сканирующая ионно-окклюзионная спектроскопия». Маленький . 6 (23): 2653–8. дои : 10.1002/smll.201001129 . ПМИД 20979105 .
- ^ Сауэрби С.Дж., Брум М.Ф., Петерсен ГБ (апрель 2007 г.). «Апертуры нанометрового размера с динамическим изменением размера для молекулярного зондирования». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 123 (1): 325–30. дои : 10.1016/j.snb.2006.08.031 .
- ^ Кларк Дж., Ву Х.К., Джаясингхе Л., Патель А., Рид С., Бэйли Х. (апрель 2009 г.). «Непрерывная идентификация оснований для секвенирования ДНК нанопор одной молекулы». Природные нанотехнологии . 4 (4): 265–70. Бибкод : 2009NatNa...4..265C . дои : 10.1038/nnano.2009.12 . ПМИД 19350039 .
- ^ Ли С., Цао С., Ян Дж., Лонг Ю.Т. (02.01.2019). «Обнаружение пептидов с различным зарядом и длиной с использованием нанопор аэролизина» . ХимЭлектроХим . 6 (1): 126–129. дои : 10.1002/celc.201800288 .
- ^ Jump up to: а б Ван Ю, Гу LQ, Тянь К. (август 2018 г.). «Нанопоры аэролизина: от пептидомики к геномике» . Наномасштаб . 10 (29): 13857–13866. дои : 10.1039/C8NR04255A . ПМК 6157726 . ПМИД 29998253 .
- ^ Бхарагава Р.Н., Покупка Д., Саксена Г., Мулла С.И. (2019). «Применение метагеномики в микробной биоремедиации загрязнителей». Микробное разнообразие в геномную эпоху . Эльзевир. стр. 459–477. дои : 10.1016/b978-0-12-814849-5.00026-5 . ISBN 9780128148495 . S2CID 134957124 .
- ^ Ван Дж., Мартин Ч.Р. (февраль 2008 г.). «Новая парадигма обнаружения лекарств, основанная на выпрямлении ионного тока в нанопорах конической формы». Наномедицина . 3 (1): 13–20. дои : 10.2217/17435889.3.1.13 . ПМИД 18393663 . S2CID 37103067 .
- ^ Го Цз, Ван Дж, Ван Э (январь 2012 г.). «Селективная дискриминация малых гидрофобных биомолекул на основе выпрямления ионного тока в наноканале конической формы». Таланта . 89 : 253–7. дои : 10.1016/j.talanta.2011.12.022 . ПМИД 22284488 .
- ^ Го З, Ван Дж, Рен Дж, Ван Э (сентябрь 2011 г.). «Выпрямление ионного тока с обращением pH, отображаемое наноканалом конической формы без каких-либо модификаций». Наномасштаб . 3 (9): 3767–73. Бибкод : 2011Nanos...3.3767G . дои : 10.1039/c1nr10434a . ПМИД 21826328 . S2CID 205795031 .
- ^ Сазерленд Т.К., Лонг Ю.Т., Стефурак Р.И., Бедиако-Амоа И., Краатц Х.Б., Ли Дж.С. (июль 2004 г.). «Структура пептидов, исследованная с помощью анализа нанопор». Нано-буквы . 4 (7): 1273–1277. Бибкод : 2004NanoL...4.1273S . дои : 10.1021/nl049413e .
- ^ Шмид, Соня; Штёммер, Пьер; Дитц, Хендрик; Деккер, Сис (9 марта 2021 г.). «Нанопоровая электроосмотическая ловушка для безметочного исследования одиночных белков и их конформаций» . дои : 10.1101/2021.03.09.434634 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Скиопу И, Ифтеми С, Лучиан Т (13 января 2015 г.). «Нанопоровое исследование стереоселективных взаимодействий между Cu (2+) и D,L-гистидиновыми аминокислотами, встроенными в аналог амилоидного фрагмента». Ленгмюр . 31 (1): 387–96. дои : 10.1021/la504243r . ПМИД 25479713 .
- ^ Ли С., Цао С., Ян Дж., Лонг Ю.Т. (2019). «Обнаружение пептидов с различным зарядом и длиной с использованием нанопор аэролизина» . ХимЭлектроХим . 6 (1): 126–129. дои : 10.1002/celc.201800288 .
- ^ Ян Л., Чжай Ц., Ли Г., Цзян Х., Хань Л., Ван Дж., Ван Э. (декабрь 2013 г.). «Светопропускной метод для измерения размера пор в трековых мембранах». Химические коммуникации . 49 (97): 11415–7. дои : 10.1039/c3cc45841e . ПМИД 24169442 . S2CID 205842947 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хоу X, Го В, Цзян Л (май 2011 г.). «Биомиметические умные нанопоры и наноканалы». Обзоры химического общества . 40 (5): 2385–401. дои : 10.1039/C0CS00053A . ПМИД 21308139 .
- Хоу X, Цзян Л. (ноябрь 2009 г.). «Учимся у природы: создание интеллектуальных наноканалов на основе биотехнологий». АСУ Нано . 3 (11): 3339–42. дои : 10.1021/nn901402b . ПМИД 19928930 .
- Хоу X, Чжан Х, Цзян Л (май 2012 г.). «Создание биологических искусственных функциональных наноканалов: от симметричной к асимметричной модификации». Ангеванде Хеми . 51 (22): 5296–307. дои : 10.1002/anie.201104904 . ПМИД 22505178 .
- Ван Х, Даннинг Дж. Э., Хуанг А. П., Ньямванда Дж. А., Брэнтон Д. (сентябрь 2004 г.). «Гетерогенность ДНК и фосфорилирование, выявленные с помощью электрофореза одиночных молекул» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (37): 13472–7. Бибкод : 2004PNAS..10113472W . дои : 10.1073/pnas.0405568101 . ПМК 518781 . ПМИД 15342914 .