Устройство на основе нанопор исследует нейродегенеративные заболевания

Белки тау и тубулин являются одними из основных причин многих нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Прогрессирование большинства нейродегенеративных заболеваний связано с агрегацией этих белков в мозге.

Вдохновленная одним из своих докторантов, который хотел исследовать белки тау и тубулин, профессор физики Университета Арканзаса Цзяли Ли и её группа создали специальное сенсорное устройство на основе нитрид-кремниевых нанопор.

В Journal of Applied Physics Миту Ачарджи и коллеги представляют устройство, предназначенное для получения информации об объёме молекул белков тау и тубулина и их агрегационных состояниях на уровне отдельных молекул в их естественной среде.

Чтобы создать сенсор, команда исследовала, как белки изменяют ток и напряжение, протекающие через систему нанопоры.

«Закон Ома — это базовая физика, которая позволяет нанопорному устройству детектировать молекулы белка», — сказала Ли. «Крошечное отверстие — от 6 до 30 нанометров — создаётся в тонкой нитрид-кремниевой мембране на кремниевой подложке. Когда она помещается в раствор с солевыми ионами, приложение электрического напряжения вызывает поток ионов через отверстие, или нанопору. Это, в свою очередь, генерирует ионный ток открытой поры».

Когда заряженная молекула белка — часто в тысячи раз больше ионов — оказывается рядом с нанопорой, она также втягивается в неё и блокирует поток части ионов. Это вызывает падение тока открытой поры.

«Величина падения тока, вызванного молекулой белка, пропорциональна объёму или размеру и форме белка», — пояснила Ли. «Это означает, что если белок A связывается с белком B, они вызовут падение тока, пропорциональное объёму A+B, а агрегированный белок A вызовет примерно кратное падение тока».

Это позволяет Ли и её группе изучать связывание и агрегацию белков внутри нанопорного устройства. Время, которое белок проводит в нанопоре, обратно пропорционально его заряду, что также даёт полезную информацию о молекуле белка.

«Наше исследование показывает, что нитрид-кремниевое нанопорное устройство может измерять объёмную информацию молекул белков тау и тубулина и их агрегацию в различных биологических условиях, и это даёт нам лучшее понимание процесса агрегации белков, а также разработки лекарств или других терапевтических методов для лечения нейродегенеративных заболеваний», — сказала Ли.

Используя своё твердотельное нанопорное устройство вместе с другими нанотехнологическими инструментами, «мы планируем систематически изучить механизм агрегации белков в различных биологических условиях, таких как температура, pH и концентрация соли», — добавила она.

Статья «Tau and tubulin protein aggregation characterization by solid-state nanopore method and atomic force microscopy» написана Миту К. Ачарджи, Хаопенгом Ли, Райаном Роллингсом, Бо Ма, Стивом Тунгом и Цзяли Ли. Она появится в Journal of Applied Physics 10 января 2023 года.