Una nuova piattaforma basata su chip sviluppata dai ricercatori dell'UC Santa Cruz integra i nanopori e la tecnologia optofluidica con un circuito di controllo del feedback per consentire un livello di controllo senza precedenti su singole molecole e particelle su un chip per analisi ad alto rendimento.

In un articolo pubblicato il 16 agosto in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno riferito di aver utilizzato il dispositivo per controllare la somministrazione di singole biomolecole, inclusi ribosomi, DNA, e proteine, in un canale pieno di liquido sul chip. Hanno anche dimostrato che il dispositivo può essere utilizzato per ordinare diversi tipi di molecole, consentendo l'analisi selettiva delle molecole bersaglio da una miscela.

Le capacità del dispositivo programmabile nanopore-optofluidico indicano la strada verso un nuovo strumento di ricerca per l'analisi di singole molecole ad alto rendimento su un chip, disse Holger Schmidt, il Professore Kapany di Optoelettronica presso l'UC Santa Cruz e corrispondente autore dell'articolo.

"Possiamo portare una singola molecola in un canale fluidico dove può essere analizzata utilizzando guide d'onda ottiche integrate o altre tecniche, " ha detto Schmidt. "L'idea è di introdurre una particella o una molecola, tenerlo nel canale per l'analisi, quindi scartare la particella, e ripetere facilmente e rapidamente il processo per sviluppare statistiche robuste di molti esperimenti con una singola molecola".

Il nuovo dispositivo si basa sul lavoro precedente del laboratorio di Schmidt e del gruppo del suo collaboratore Aaron Hawkins presso la Brigham Young University per sviluppare la tecnologia dei chip optofluidici che combinano la microfluidica (piccoli canali per la manipolazione di campioni liquidi su un chip) con l'ottica integrata per l'analisi ottica di singole molecole. L'aggiunta di nanopori consente il rilascio controllato di molecole nel canale, così come l'opportunità di analizzare il segnale elettrico prodotto quando una molecola passa attraverso il poro. Quest'ultimo lavoro è stato condotto dal primo autore Mahmudur Rahman, uno studente laureato nel laboratorio di Schmidt alla UC Santa Cruz.

La tecnologia Nanopore è stata utilizzata con successo nelle applicazioni di sequenziamento del DNA, e Schmidt e altri ricercatori hanno esplorato nuovi modi per sfruttare le informazioni nei segnali prodotti quando le molecole o le particelle si traslocano attraverso un nanoporo.

Con il sistema di controllo in retroazione (un microcontrollore e un relè a stato solido) nel nuovo dispositivo, l'analisi in tempo reale della corrente trasforma il nanoporo in una "porta intelligente" che può essere programmata dall'utente per fornire molecole nel canale in modo predeterminato. Il cancello può essere chiuso non appena una singola molecola (o qualsiasi numero impostato dall'utente) è passata attraverso, e si riapre dopo un tempo prestabilito.

"L'uso dei nanopori come "porte intelligenti" è un passo fondamentale verso un sistema di analisi a singola molecola che sia facile da usare e possa funzionare ad alto rendimento, " ha detto Schmidt. "Consente il controllo programmabile dall'utente sul numero di molecole che vengono consegnate a un canale fluidico per ulteriori analisi o elaborazioni, gating selettivo di diversi tipi di singole molecole, e la capacità di fornire singole molecole in un chip a velocità record di molte centinaia al minuto".

Usando ribosomi batterici (70S), i ricercatori hanno dimostrato la consegna controllata di più di 500 ribosomi al minuto. Coautore Harry Noller, il Sinsheimer Professor di Biologia Molecolare all'UC Santa Cruz, ha svolto ricerche pionieristiche sulla struttura e la funzione dei ribosomi, le macchine molecolari che sintetizzano le proteine ​​in tutte le cellule viventi, e dal 2006 collabora con il gruppo di Schmidt.

I ricercatori hanno anche usato una miscela di DNA e ribosomi per mostrare la capacità del dispositivo di attivare selettivamente la funzione di gating per una molecola bersaglio (in questo caso, DNA). Questo può consentire, Per esempio, esperimenti di fluorescenza su un numero controllato di molecole bersaglio, mentre le particelle non etichettate vengono ignorate e scartate. Il gate selettivo potrebbe anche essere utilizzato per la purificazione o lo smistamento di diverse particelle a valle del nanoporo, in base ai segnali man mano che le particelle passano attraverso il nanoporo, ha detto Schmidt.

Il sistema programmabile consente flessibilità per un'ampia gamma di potenziali applicazioni, Egli ha detto.