Ученые NIST продвинулись в расшифровке сигналов нанопор

Ученые Национального института стандартов и технологий (NIST) приблизились к разработке быстрого диагностического анализа крови, способного сканировать тысячи маркеров заболеваний и других химических индикаторов здоровья. Команда сообщает, что научилась расшифровывать электрические сигналы, генерируемые нанопорой — «воротами» шириной менее 2 нанометров в искусственной клеточной мембране.

Нанопоры сами по себе не новы; более десяти лет ученые пытались использовать детектор на их основе для характеристики одноцепочечной ДНК в целях генетического секвенирования. Недавно специалисты NIST сосредоточились на использовании нанопор для идентификации, количественного определения и характеристики каждого из более чем 20 000 белков, производимых организмом. Это позволило бы получить моментальный снимок общего состояния здоровья пациента. Однако, хотя нанопоры пропускают молекулы по одной, определить, какая именно молекула прошла через пору, было сложно.

Чтобы решить эту проблему, члены команды NIST, ранее разработавшие метод различения размера и концентрации каждого типа пропускаемых молекул, теперь выяснили, как именно эти одиночные молекулы взаимодействуют с нанопорой. Их новая теоретическая модель описывает физику и химию процесса, как нанопора, по сути, «разбирает» молекулу. Это понимание продвинет использование нанопор в медицине.

«Эта работа приближает нас на шаг к реализации потенциала нанопор как мощного диагностического инструмента для медицинской науки», — говорит Джозеф Рейнер, работавший над проектом вместе с Джозефом Робертсоном и Джоном Касяновичем из Отдела полупроводниковой электроники NIST. — Она добавляет новый элемент в "Розеттский камень", который позволит нам читать, какие молекулы только что прошли через нанопору».

Используя новые методы, команда смогла с высокой точностью смоделировать взаимодействие определенного типа крупных молекул с отверстием нанопоры. Молекулами был полиэтиленгликоль (PEG) — хорошо изученный полимер, образующий цепи разной длины.

«Цепи PEG могут быть очень длинными, но каждое звено очень мало, — отмечает Касянович. — Это был хороший тест, потому что мы хотели увидеть, сможет ли нанопора различить две почти идентичные крупные молекулы, отличающиеся длиной всего на несколько атомов».

Устройство команды легко различало PEG-цепи разного размера. Разработанная модель для описания взаимодействий PEG с нанопорой обнадеживает ученых: при дальнейшей работе крошечные сенсоры можно будет настроить для быстрого измерения множества различных молекул. «Мы могли бы создать массив из множества нанопор, каждая из которых предназначена для измерения конкретного вещества, — говорит Касянович. — Поскольку каждая нанопора так мала, массив, содержащий пору для каждого белка в организме, все равно будет крошечным».