Ogni molecola che passa attraverso il nanoporo può essere identificata monitorando il cambiamento che provoca in una corrente ionica che scorre attraverso la membrana. Quando diverse molecole (oggetti viola e verdi) entrano nel poro (verde mostrato nel riquadro), ciascuno riduce la corrente di una certa quantità e periodo di tempo (mostrato dalla combinazione di colori corrispondente nel diagramma corrente di seguito), a seconda sia delle sue dimensioni che della capacità di attrarre gli ioni vicini (punti rossi). Il modello NIST può essere utilizzato per estrarre queste informazioni, che potrebbero essere utilizzati per identificare e caratterizzare i biomarcatori per applicazioni mediche. Credito:NIST
Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology si sono avvicinati di un passo allo sviluppo di mezzi per un esame del sangue diagnostico rapido in grado di scansionare migliaia di marcatori di malattie e altri indicatori chimici di salute. Il team riferisce di aver imparato a decodificare i segnali elettrici generati da un nanoporo, un "cancello" largo meno di 2 nanometri in una membrana cellulare artificiale.
I nanopori non sono nuovi di per sé; da più di un decennio, gli scienziati hanno cercato di utilizzare un rilevatore elettrico basato su nanopori per caratterizzare il DNA a singolo filamento per applicazioni di sequenziamento genetico. Più recentemente, Gli scienziati del NIST hanno rivolto la loro attenzione all'uso dei nanopori per identificare, quantificare e caratterizzare ciascuno degli oltre 20, 000 proteine prodotte dal corpo, una capacità che fornirebbe un'istantanea della salute generale di un paziente in un dato momento. Ma mentre i nanopori consentono alle molecole di entrare in essi una alla volta, determinare quale specifica singola molecola è appena passata non è stato facile.
Per affrontare questo problema, i membri del team del NIST che in precedenza avevano sviluppato un metodo per distinguere sia la dimensione che la concentrazione di ciascun tipo di molecola ammessa dal nanoporo hanno ora risposto alla domanda su come queste singole molecole interagiscono con il nanoporo. Il loro nuovo modello teorico descrive la fisica e la chimica di come il nanoporo, in effetti, analizza una molecola, una comprensione che farà progredire l'uso dei nanopori in campo medico.
"Questo lavoro ci avvicina di un passo alla realizzazione di questi nanopori come un potente strumento diagnostico per la scienza medica, "dice Joseph Reiner, che ha eseguito il lavoro con Joseph Robertson, e John Kasianowicz, tutta la divisione elettronica dei semiconduttori del NIST. "Si aggiunge alla 'Rosetta Stone' che ci permetterà di leggere quali molecole sono appena passate attraverso un nanoporo".
Usando i loro nuovi metodi, il team è stato in grado di modellare l'interazione di un particolare tipo di grande molecola attraverso l'apertura di un nanoporo con grande precisione. Le molecole erano glicole polietilenico (PEG), un noto polimero che forma catene di lunghezza variabile.
"Le catene di PEG possono essere molto lunghe, ma ogni collegamento è molto piccolo, " Dice Kasianowicz. "È stato un buon test perché volevamo vedere se il nanoporo poteva differenziare tra due grandi molecole quasi identiche che differiscono in lunghezza solo per pochi atomi".
Il dispositivo del team è stato in grado di distinguere facilmente le catene PEG di diverse dimensioni, e il modello che hanno sviluppato per descrivere le interazioni PEG-nanopori li sta incoraggiando a pensare che con un ulteriore sforzo, i minuscoli sensori possono essere personalizzati per misurare rapidamente molte molecole diverse. "Potremmo plausibilmente costruire una serie di molti nanopori, ciascuno creato per misurare una sostanza specifica, " dice Kasianowicz. "Poiché ogni nanoporo è così piccolo, un array con uno per ogni proteina nel corpo sarebbe ancora minuscolo".
