Dans un récent Nanotechnologie de la nature étude, les chercheurs décrivent diverses applications de la technologie basée sur les nanopores au-delà du séquençage de l’acide désoxyribonucléique (ADN). Plus précisément, la recherche actuelle se concentre sur les avancées de cette technologie dans la chimie, la biophysique et les nanosciences.
Étude: Technologies basées sur les nanopores au-delà du séquençage de l’ADN. Crédit d’image : Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com
Sommaire
Que sont les nanopores ?
Dans une application conventionnelle, les analytes d’intérêt entreront dans le nanopore sous un courant appliqué qui modifie le flux d’ions à travers le nanopore. Cette modification du flux ionique se traduit par un enregistrement de courant dépendant du temps qui peut être utilisé pour détecter et caractériser diverses biomolécules telles que l’ADN, l’ARN, les protéines, les peptides, les métabolites et les complexes protéine-ADN au niveau moléculaire.
Le type de nanopore utilisé pour une étude donnée dépend de l’analyte d’intérêt, car les dimensions du nanopore et de l’analyte doivent être comparables pour produire un changement enregistrable du courant ionique.
Les nanopores biologiques, par exemple, peuvent reconnaître des biomolécules dont le diamètre est compris entre -1 et 10 nanomètres (nm). Comparativement, les nanopores à l’état solide sont utilisés pour des applications optiques, notamment des millions d’électrons/ions, la gravure optique au laser et la rupture diélectrique de membranes solides ultrafines.
Applications des nanopores
Bien que les nanopores aient été initialement développés pour détecter des ions et de petites molécules, en particulier à des fins de séquençage d’ADN, les applications de cette technologie se sont considérablement développées.
Certains des principaux avantages des nanopores qui ont contribué à leur application généralisée comprennent leur capacité à capturer des molécules individuelles consécutivement et à un rythme rapide, à convertir à la fois les propriétés structurelles et chimiques des analytes en un courant ionique mesurable et à identifier des espèces sans étiquette pour amplification du signal.
Analyse structurale et séquençage d’une seule protéine
Les nanopores à l’état solide peuvent aider à extraire les propriétés génériques des protéines, telles que le volume, le dipôle et la forme. De plus, les ligands, tels que la biotine, les aptamères, les domaines protéiques ou les anticorps, peuvent se fixer directement aux nanopores biologiques, même en présence de milieux complexes, tels que le sérum.
En plus d’identifier les protéines, les nanopores peuvent agir comme des capteurs à molécule unique pour fournir des informations sur l’activité, la dynamique et les changements de conformation des protéines. En piégeant une protéine à l’intérieur d’un nanopore biologique, par exemple, les chercheurs peuvent obtenir des informations sur les changements conformationnels et la dynamique de la protéine telle qu’elle reste dans le nanopore.
Bien que les nanopores ne puissent pas fournir d’informations sur les activités des enzymes individuelles, ils peuvent être en mesure de surveiller la formation de produits à la suite de réactions enzymatiques, principalement lorsque les dosages spectroscopiques conventionnels ne sont pas disponibles.
Chimie monomoléculaire
Les nanopores biologiques conçus pour contenir des sites réactifs sont appelés nanoréacteurs protéiques. Ces nanopores spécifiques pourraient aider à l’analyse des événements de création et de rupture de liaisons de molécules individuelles attachées à la paroi intérieure d’un nanopore lorsqu’il module le courant ionique. Les applications supplémentaires des nanoréacteurs comprennent l’analyse de la phytochimie, les transformations stéréochimiques, les étapes de polymérisation et un effet isotopique primaire.
Des nanopores pour étudier les processus biologiques
Les cellules présentent plusieurs pores de taille nm dans leurs membranes qui agissent comme des passerelles pour le transport moléculaire entre les compartiments cellulaires. Pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans le transport des biomolécules à travers ces pores, elles pourraient être extraites de la cellule et amarrées dans des membranes lipidiques planes. Malheureusement, cette approche de reconstitution est extrêmement difficile ; ainsi, les nanopores offrent des opportunités intéressantes pour étudier la biologie cellulaire.
Divers systèmes à base de nanopores conçus peuvent imiter les pores biologiques in vitro, tels que les nanopores asymétriques à l’état solide, qui pourraient imiter les canaux ioniques commutables pour étudier les pompes ioniques et les pores ioniques et pH-dépendants. De plus, les pores d’origami d’ADN synthétique peuvent également être utilisés pour imiter les canaux ioniques ligand-dépendants, tandis que les nanopores biologiques peuvent être conçus pour imiter les transporteurs membranaires passifs ou actifs.
Le complexe de pores nucléaires (NPC), un pore plus grand qui régule le transport des protéines et des ARN entre les compartiments cellulaires, peut également être étudié par le biais de PNJ biomimétiques. Bien que des informations considérables soient disponibles sur la fonction biologique des PNJ, les PNJ biomimétiques peuvent être utilisés pour mieux comprendre les propriétés de transport spécifiques de ces pores biologiques.
Identification et quantification de biomarqueurs
L’analyse de la présence de biomarqueurs spécifiques dans des échantillons biomédicaux, tels que des fluides corporels, des biopsies tissulaires ou d’autres échantillons biologiques, tels que des virus, des bactéries et des cultures cellulaires, est associée à de nombreux défis.
Par exemple, les biomolécules cibles dans les échantillons, dont beaucoup sont des acides nucléiques ou des protéines, peuvent être présentes à des concentrations allant de dizaines d’attomolaires (10−18M) au sous-nanomolaire (10−9M). De plus, ces échantillons cliniques comprennent également diverses autres biomolécules qui peuvent interférer avec le capteur nanopore lui-même.
Pour surmonter ces limitations, divers tests biologiques intelligents et dispositifs utilisant la technologie de détection des nanopores ont été développés pour analyser des échantillons cliniques. Par exemple, de nouveaux dispositifs microfluidiques intégrés à des capteurs à nanopores peuvent potentiellement être utilisés pour la préparation d’échantillons ou la détection de niveaux de concentration d’analyte.
En outre, des essais biochimiques spécifiques basés sur des nanopores biologiques peuvent améliorer la spécificité moléculaire tout en éliminant simultanément les interactions indésirables des molécules de fond. Cette approche peut également réduire la perte de molécules ciblées lors de la préparation de l’échantillon tout en garantissant que le nanopore est protégé contre toute dégradation potentielle des biomolécules environnantes.
conclusion
Grâce aux améliorations de la conception des nanopores, ces technologies continueront d’évoluer et de relever les défis scientifiques. De plus, les chercheurs prévoient que les nanopores trouveront de nouvelles applications dans un large éventail de domaines, de la détection et du séquençage moléculaires à la catalyse chimique et à la caractérisation biophysique.
