Нанопора - Nanopore - Wikipedia

Схема внутреннего механизма нанопор и соответствующая блокировка тока во время секвенирования

А нанопора порой нанометр размер. Он может, например, создаваться порообразующим белком или как дыра в синтетических материалах, таких как кремний или графен.

Когда нанопора присутствует в электрически изолирующем мембрана, его можно использовать как одноразовыймолекула детектор. Это может быть канал биологического белка с высоким электрическим сопротивлением. липидный бислой, поры в твердотельной мембране или их гибрид - белковый канал, установленный в синтетической мембране. Принцип обнаружения основан на мониторинге ионного тока, проходящего через нанопору, когда на мембрану подается напряжение. Когда нанопора имеет молекулярные размеры, прохождение молекул (например, ДНК ) вызывают прерывания «открытого» текущего уровня, что приводит к сигналу «событие перемещения». Прохождение РНК или одноцепочечных молекул ДНК через заделанный мембраной канал альфа-гемолизина (диаметр 1,5 нм), например, вызывает ~ 90% блокировку тока (измерено для 1 М раствора KCl).[1]

Это можно считать Счетчик сошников для гораздо более мелких частиц.

Типы нанопор

Органический

  • Нанопоры могут быть образованы порообразующими белками,[2] обычно полая сердцевина, проходящая через грибовидную молекулу белка. Примеры порообразующих белков: альфа гемолизин, аэролизин, и MspA порин. В типичных лабораторных экспериментах с нанопорами одна белковая нанопора вставляется в липидный бислой мембранные и одноканальные электрофизиология сняты измерения.
  • Более крупные нанопоры могут достигать 20 нм в диаметре. Эти поры позволяют мелким молекулам, таким как кислород, глюкоза и инсулин однако они предотвращают образование крупных молекул иммунной системы, таких как иммуноглобины от прохождения. Например, клетки поджелудочной железы крысы микрокапсулированы, они получают питательные вещества и выделяют инсулин через нанопоры, будучи полностью изолированными от окружающей среды, то есть от чужеродных клеток. Эти знания могут помочь заменить нефункциональные островки Клетки Лангерганса в поджелудочной железе (отвечающей за производство инсулина) собранными клетками поросят. Их можно имплантировать под кожу человека без применения иммунодепрессантов, которые подвергают пациентов с диабетом риску заражения.

Неорганический

  • Твердотельные нанопоры обычно создаются в кремний составные мембраны, одна из самых распространенных нитрид кремния. Второй тип широко используемых твердотельных нанопор - это стеклянные нанопоры, полученные путем вытягивания стеклянного капилляра с помощью лазера.[3] Твердотельные нанопоры могут быть изготовлены несколькими способами, включая ионно-лучевая скульптура[4] и электронные пучки.[5]
  • Совсем недавно использование графен[6] в качестве материала для твердотельного зондирования нанопор. Другой пример твердотельных нанопор - коробчатый графен (BSG). наноструктура.[7] Наноструктура BSG 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.
  • Изготовлены регулируемые по размеру эластомерные нанопоры, позволяющие точно измерять наночастицы, поскольку они перекрывают поток ионного тока. Эта методика измерения может использоваться для измерения широкого спектра типов частиц. В отличие от ограничений твердотельных пор, они позволяют оптимизировать величину импульса сопротивления относительно фонового тока путем согласования размера пор, близкого к размеру частиц. Поскольку обнаружение происходит на основе каждой частицы, можно определить истинное среднее значение и распределение полидисперсности.[8][9] Используя этот принцип, единственная в мире коммерческая настраиваемая система обнаружения частиц на основе нанопор была разработана Izon Science Ltd. Коробчатая наноструктура графена (BSG) может быть использована в качестве основы для создания устройств с изменяемым размером пор.[7]

Секвенирование на основе нанопор

Наблюдение за тем, что проходящая цепь ДНК, содержащая разные основания, соответствует сдвигам в текущих значениях, привело к развитию секвенирование нанопор[10] Секвенирование нанопор может происходить с бактериальными нанопорами, как упомянуто в предыдущем разделе, а также с устройством (-ами) секвенирования нанопор, созданным Oxford Nanopore Technologies.

Идентификация мономера

С фундаментальной точки зрения, нуклеотиды ДНК или РНК идентифицируются на основе сдвигов тока, когда нить входит в пору. Подход, который Oxford Nanopore Technologies Использование для секвенирования ДНК нанопор меченый образец ДНК загружается в проточную ячейку внутри нанопоры. Фрагмент ДНК направляется к нанопоре и начинает разворачивание спирали. Когда размотанная спираль движется через нанопору, это коррелирует с изменением значения тока, которое измеряется тысячами раз в секунду. Программное обеспечение для анализа нанопор может принимать это значение переменного тока для каждого обнаруженного основания и получать результирующую последовательность ДНК.[11] Аналогично с использованием биологических нанопор, когда к системе прикладывается постоянное напряжение, можно наблюдать переменный ток. Когда ДНК, РНК или пептиды попадают в пору, через эту систему можно наблюдать сдвиги тока, характерные для идентифицируемого мономера.[12][13]

Выпрямление ионного тока (ICR) - важное явление для нанопор. Выпрямление ионного тока также может использоваться как датчик наркотиков.[14][15] и использоваться для исследования состояния заряда в полимерной мембране.[16]

Приложения к секвенированию нанопор

Помимо быстрого Секвенирование ДНК, другие приложения включают разделение одноцепочечной и двухцепочечной ДНК в растворе, а также определение длины полимеры. На этом этапе нанопоры вносят вклад в понимание биофизики полимеров, анализ взаимодействия ДНК-белок на одной молекуле, а также секвенирование пептидов. Когда дело доходит до секвенирования пептидов бактериальных нанопор, таких как гемолизин, может применяться как к РНК, так и к ДНК, а также к последнему секвенированию белков. Например, при применении в исследовании, в котором пептиды с одним и тем же повторением глицин-пролин-пролин были синтезированы, а затем подвергнуты анализу нанопор, можно было получить точную последовательность.[17] Это также может быть использовано для определения различий в стереохимии пептидов на основе межмолекулярных ионных взаимодействий. Понимание этого также дает больше данных для понимания последовательности пептида полностью в его окружении.[18] Использование другой бактериальной нанопоры, аэролизин nanopore, продемонстрировала способность, продемонстрировав аналогичную способность различать остатки внутри пептида, также продемонстрировала способность идентифицировать токсины, присутствующие даже в заявленных «очень чистых» образцах белка, демонстрируя при этом стабильность при различных значениях pH.[12] Ограничением использования бактериальных нанопор могло бы быть то, что пептиды длиной до шести остатков точно определялись, но с более крупными и отрицательно заряженными пептидами приводили к большему фоновому сигналу, который не является репрезентативным для молекулы.[19]

Альтернативные приложения

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 в полимерной мембране посредством процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов для образования треков, а затем после влажного травления вдоль трека образуются цилиндрические поры или асимметричные поры.

Так же важно, как изготовление фильтрующих мембран надлежащего диаметра, характеристики и измерения этих материалов имеют такое же первостепенное значение. К настоящему времени было разработано несколько методов, которые можно разделить на следующие категории в соответствии с используемыми физическими механизмами: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ); транспортировка жидкости, такая как точка кипения и транспортировка газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция / десорбция азота (BEH), порозиметрия ртути, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое вещество (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; и молекулярный транспорт.

Совсем недавно использование техники светопропускания[20] в качестве метода измерения размера нанопор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Akeson M, Branton D, Kasianowicz JJ, Brandin E, Deamer DW (декабрь 1999 г.). «Микросекундная шкала времени различения полицитидиловой кислоты, полиадениловой кислоты и полиуридиловой кислоты как гомополимеров или как сегментов внутри отдельных молекул РНК». Биофизический журнал. 77 (6): 3227–33. Bibcode:1999BpJ .... 77.3227A. Дои:10.1016 / S0006-3495 (99) 77153-5. ЧВК  1300593. PMID  10585944.
  2. ^ Бейли Х (июнь 2009 г.). «Мембранно-белковая структура: проницательные идеи». Природа. 459 (7247): 651–2. Bibcode:2009Натура.459..651Б. Дои:10.1038 / 459651a. PMID  19494904. S2CID  205046984.
  3. ^ Стейнбок Л.Дж., Отто О., Скарстам Д.Р., Ян С., Химерель С., Горналл Д.Л., Кейзер Ю.Ф. (ноябрь 2010 г.). «Исследование ДНК с помощью микро- и нанокапилляров и оптического пинцета». Журнал физики: конденсированное вещество. 22 (45): 454113. Bibcode:2010JPCM ... 22S4113S. Дои:10.1088/0953-8984/22/45/454113. PMID  21339600.
  4. ^ Ли Дж., Стейн Д., Макмаллан С., Брэнтон Д., Азиз М. Дж., Головченко Дж. А. (июль 2001 г.). «Скульптура ионным пучком в нанометровом масштабе». Природа. 412 (6843): 166–9. Bibcode:2001Натура.412..166л. Дои:10.1038/35084037. PMID  11449268. S2CID  4415971.
  5. ^ Сторм А.Дж., Чен Дж.Х., Линг XS, Зандберген Х.В., Деккер С. (август 2003 г.). «Изготовление твердотельных нанопор с точностью до одного нанометра». Материалы Природы. 2 (8): 537–40. Bibcode:2003НатМа ... 2..537С. Дои:10.1038 / nmat941. PMID  12858166. S2CID  8425590.
  6. ^ Гарадж С., Хаббард В., Рейна А., Конг Дж., Брантон Д., Головченко Дж. А. (сентябрь 2010 г.). «Графен как субнанометрическая трансэлектродная мембрана». Природа. 467 (7312): 190–3. arXiv:1006.3518. Bibcode:2010Натура.467..190G. Дои:10.1038 / природа09379. ЧВК  2956266. PMID  20720538.
  7. ^ а б Лапшин Р.В. (2016). «Наблюдение СТМ коробчатой ​​графеновой наноструктуры, появившейся после механического разрушения пиролитического графита» (PDF). Прикладная наука о поверхности. 360: 451–460. arXiv:1611.04379. Bibcode:2016ApSS..360..451L. Дои:10.1016 / j.apsusc.2015.09.222. S2CID  119369379.
  8. ^ Робертс Г.С., Козак Д., Андерсон В., Брум М.Ф., Фогель Р., Трау М. (декабрь 2010 г.). «Настраиваемые нано / микропоры для обнаружения и различения частиц: сканирующая спектроскопия ионной окклюзии». Малый (Вайнхайм-ан-дер-Бергштрассе, Германия). 6 (23): 2653–8. Дои:10.1002 / smll.201001129. PMID  20979105.
  9. ^ Sowerby SJ, Broom MF, Petersen GB (апрель 2007 г.). «Динамически изменяемые апертуры нанометрового масштаба для молекулярного зондирования». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 123 (1): 325–30. Дои:10.1016 / j.snb.2006.08.031.
  10. ^ Кларк Дж, Ву ХК, Джаясингхе Л., Патель А., Рид С., Бейли Х. (апрель 2009 г.). «Непрерывная идентификация оснований для секвенирования одномолекулярных нанопор ДНК». Природа Нанотехнологии. 4 (4): 265–70. Bibcode:2009НатНа ... 4..265С. Дои:10.1038 / nnano.2009.12. PMID  19350039.
  11. ^ Ли С., Цао Ц, Ян Дж, Лонг Ю.Т. (02.01.2019). «Обнаружение пептидов с разным зарядом и длиной с помощью нанопор аэролизина». ХимЭлектроХим. 6 (1): 126–129. Дои:10.1002 / celc.201800288.
  12. ^ а б Ван И, Гу LQ, Тиан К. (август 2018 г.). «Нанопоры аэролизина: от пептидомных к геномным приложениям». Наномасштаб. 10 (29): 13857–13866. Дои:10.1039 / C8NR04255A. ЧВК  6157726. PMID  29998253.
  13. ^ Бхарагава Р.Н., Покупка D, Саксена Г., Мулла С.И. (2019). "Применение метагеномики в микробной биоремедиации загрязнителей". Разнообразие микробов в эпоху генома. Эльзевир. С. 459–477. Дои:10.1016 / b978-0-12-814849-5.00026-5. ISBN  9780128148495.
  14. ^ Ван Дж, Мартин ЧР (февраль 2008 г.). «Новая парадигма распознавания лекарств, основанная на выпрямлении ионного тока в конической нанопоре». Наномедицина. 3 (1): 13–20. Дои:10.2217/17435889.3.1.13. PMID  18393663. S2CID  37103067.
  15. ^ Го З, 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. PMID  22284488.
  16. ^ Го З, Ван Дж, Рен Дж, Ван Э (сентябрь 2011 г.). «Выпрямление ионного тока с обратным pH отображается с помощью наноканала конической формы без каких-либо изменений». Наномасштаб. 3 (9): 3767–73. Bibcode:2011Nanos ... 3.3767G. Дои:10.1039 / c1nr10434a. PMID  21826328. S2CID  205795031.
  17. ^ Sutherland TC, Long YT, Stefureac RI, Bediako-Amoa I, Kraatz HB, Lee JS (июль 2004 г.). «Структура пептидов, исследованная методом нанопор». Нано буквы. 4 (7): 1273–1277. Bibcode:2004NanoL ... 4.1273S. Дои:10.1021 / nl049413e.
  18. ^ Скиопу I, Ифтеми С., Лучиан Т. (2015-01-13). «Исследование нанопора из стереоселективных взаимодействий между Cu (2+) и D, L-гистидином аминокислот сконструированной в amyloidic фрагмент аналог». Langmuir. 31 (1): 387–96. Дои:10.1021 / la504243r. PMID  25479713.
  19. ^ Ли С., Цао Ц., Ян Дж., Лонг Ю.Т. (2019). «Обнаружение пептидов с разным зарядом и длиной с помощью нанопор аэролизина». ХимЭлектроХим. 6 (1): 126–129. Дои:10.1002 / celc.201800288.
  20. ^ Ян Л., Чжай Ц., Ли Г, Цзян Х, Хан Л., Ван Дж, Ван Э (декабрь 2013 г.). «Метод светопропускания для измерения размера пор в трековых мембранах». Химические коммуникации. 49 (97): 11415–7. Дои:10.1039 / c3cc45841e. PMID  24169442. S2CID  205842947.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка