Улучшение сортировки белков с помощью нового микрочипа от MIT

Новая система микрочипов MIT обещает ускорить разделение и сортировку биомолекул, таких как белки. Работа важна, поскольку может помочь учёным лучше детектировать определённые молекулы (биомаркеры), связанные с заболеваниями, что потенциально приведёт к более ранней диагностике или лечению.

Система микрочипа имеет встроенную чрезвычайно маленькую ситовую структуру, которая может просеивать непрерывные потоки биологических жидкостей и точно разделять белки по размеру. Обычные методы разделения используют гели, которые медленнее и требуют больших трудозатрат. Новая система на микрочипе может сортировать белки за минуты по сравнению с часами, необходимыми для гелевых систем.

Результаты команды MIT опубликованы в выпуске Nature Nanotechnology от 5 февраля.

Новая технология является развитием одномерной ситовой структуры, о которой сообщала та же группа MIT в прошлом году. Ключом к этому новому достижению, называемому анизотропной нанофлюидной ситовой структурой, является то, что исследователи спроектировали анизотропное сито в двух ортогональных измерениях (под прямым углом), что позволяет проводить быстрое разделение биологического образца в непрерывном потоке. Это обеспечивает непрерывную изоляцию и сбор подмножеств биомолекул, которые исследователи хотят изучить. И это увеличивает вероятность обнаружения даже самого малого количества молекул в образце.

«С этой технологией мы можем изолировать интересные белки быстрее и эффективнее. И поскольку она может обрабатывать такие маленькие биологически значимые объекты, у неё есть потенциал быть использованной в качестве универсальной молекулярной ситовой структуры для более сложной, интегрированной системы подготовки и анализа биомолекул», — сказал Джонгюн Хан, руководитель команды MIT.

Хан отметил, что до конца 1990-х большинство достижений в биологическом лабораторном оборудовании было направлено на проект «Геном человека» и открытия, связанные с ДНК — более крупными молекулами по сравнению с белками. Однако из-за жизненно важной роли белков почти во всех биологических процессах исследователи начали фокусировать внимание на них. Но одним из препятствий был недостаток хороших лабораторных инструментов для подготовки биологических образцов для анализа белков.

«Я переключил своё внимание с ДНК на область разделения белков около 2002 года с переходом к протеомике (изучению белков). Но в этой области использовалась технология гель-электрофореза десятилетней давности. Существует большой пробел в потребности в технологиях в этой области», — сказал Хан.

Поэтому Хан и его коллега Цзяньпин Фу разработали анизотропное сито, встроенное в кремниевый чип. Биологический образец, содержащий разные белки, помещается в резервуар над чипом. Затем образец непрерывно пропускается через сито чипа. Чип спроектирован с сетью микрофлюидных каналов, окружающих сито, а анизотропия (направленное свойство) в сите заставляет белки разных размеров следовать различным траекториям миграции, что приводит к эффективному разделению в непрерывном потоке. Текущее сито имеет массив нанофлюидных фильтров шириной около 55 нанометров.

«Белки, которые нужно отсортировать, вынуждены проходить два ортогональных пути. Каждый путь сконструирован с разными ситовыми характеристиками. Когда белки разных размеров вводятся в сито под приложенными электрическими полями, они разделяются на разные потоки в зависимости от размера», — объяснил Хан.

На дне чипа разделённые белки собираются в отдельных камерах. Затем учёные могут тестировать белки.

В то время как другие исследователи использовали аналогичные методы непрерывного потока для разделения крупных молекул, таких как длинная ДНК, команде MIT удалось это с более мелкими белками.

«Это первый раз, когда физиологически значимые молекулы, такие как белки, были разделены таким образом. Мы можем разделить молекулы примерно за минуту на текущем устройстве против часов для гелей», — сказал Хан.

Ещё одно преимущество микрочипа в том, что он может иметь множество различных размеров пор, и, в отличие от гелей, возможно спроектировать точный размер пор для увеличения точности разделения. Это, в свою очередь, может помочь исследователям искать так называемые биомаркеры — белки, которые могут указывать на наличие болезни, и, таким образом, помочь в разработке диагностики и лечения заболевания.

«Подготовка образца критически важна для обнаружения большего количества сигналов биомаркеров», — сказал Хан.