I ricercatori hanno trascorso più di tre decenni a sviluppare e studiare biosensori in miniatura in grado di identificare singole molecole. In 5-10 anni, quando tali dispositivi possono diventare un punto fermo negli studi medici, potrebbero rilevare marcatori molecolari per il cancro e altre malattie e valutare l'efficacia del trattamento farmacologico per combattere tali malattie.

Per contribuire a realizzare ciò e per aumentare la precisione e la velocità di queste misurazioni, gli scienziati devono trovare modi per capire meglio come le molecole interagiscono con questi sensori. I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e della Virginia Commonwealth University (VCU) hanno ora sviluppato un nuovo approccio. Hanno riportato i loro risultati nell'attuale numero di Progressi scientifici.

Il team ha costruito il suo biosensore realizzando una versione artificiale del materiale biologico che forma una membrana cellulare. Conosciuto come doppio strato lipidico, contiene un minuscolo poro, circa 2 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro, circondato da fluido. Gli ioni disciolti nel fluido passano attraverso il nanoporo, generando una piccola corrente elettrica. Però, quando una molecola di interesse viene spinta nella membrana, blocca parzialmente il flusso di corrente. La durata e l'entità di questo blocco fungono da impronta digitale, identificare le dimensioni e le proprietà di una specifica molecola.

Per effettuare misurazioni accurate per un gran numero di singole molecole, le molecole di interesse devono rimanere nel nanoporo per un intervallo né troppo lungo né troppo breve (il tempo dei "Riccioli d'Oro"), che vanno da 100 milionesimi a 10 millesimi di secondo. Il problema è che la maggior parte delle molecole rimane nel piccolo volume di un nanoporo per questo intervallo di tempo solo se il nanoporo in qualche modo le tiene in posizione. Ciò significa che l'ambiente dei nanopori deve fornire una certa barriera, ad esempio, l'aggiunta di una forza elettrostatica o un cambiamento nella forma del nanoporo, che rende più difficile la fuoriuscita delle molecole.

L'energia minima richiesta per violare la barriera varia per ogni tipo di molecola ed è fondamentale affinché il biosensore funzioni in modo efficiente e preciso. Il calcolo di questa quantità comporta la misurazione di diverse proprietà legate all'energia della molecola mentre si muove dentro e fuori il poro.

criticamente, l'obiettivo è misurare se l'interazione tra la molecola e il suo ambiente deriva principalmente da un legame chimico o dalla capacità della molecola di muoversi e muoversi liberamente durante il processo di cattura e rilascio.

Fino ad ora, misurazioni affidabili per estrarre questi componenti energetici sono mancate per una serie di motivi tecnici. Nel nuovo studio, un team co-guidato da Joseph Robertson del NIST e Joseph Reiner del VCU ha dimostrato la capacità di misurare queste energie con un rapido, metodo di riscaldamento basato su laser.

Le misurazioni devono essere effettuate a temperature diverse, e il sistema di riscaldamento laser assicura che questi cambiamenti di temperatura avvengano rapidamente e in modo riproducibile. Ciò consente ai ricercatori di completare le misurazioni in meno di 2 minuti, rispetto ai 30 minuti o più che altrimenti richiederebbe.

"Senza questo nuovo strumento di riscaldamento basato su laser, la nostra esperienza suggerisce che le misurazioni semplicemente non verranno eseguite; richiederebbero troppo tempo e denaro, " ha detto Robertson. "Essenzialmente, abbiamo sviluppato uno strumento che potrebbe cambiare la pipeline di sviluppo per i sensori nanopori per ridurre rapidamente le congetture coinvolte nella scoperta dei sensori, " Ha aggiunto.

Una volta eseguite le misurazioni dell'energia, possono aiutare a rivelare come una molecola interagisce con il nanoporo. Gli scienziati possono quindi utilizzare queste informazioni per determinare le migliori strategie per rilevare le molecole.

Per esempio, si consideri una molecola che interagisce con il nanoporo principalmente attraverso interazioni chimiche, essenzialmente elettrostatiche. Per ottenere il tempo di cattura di Riccioli d'oro, i ricercatori hanno sperimentato la modifica del nanoporo in modo che la sua attrazione elettrostatica sulla molecola bersaglio non fosse né troppo forte né troppo debole.

Con questo obiettivo in mente, i ricercatori hanno dimostrato il metodo con due piccoli peptidi, brevi catene di composti che formano i mattoni delle proteine. Uno dei peptidi, angiotensina, stabilizza la pressione sanguigna. L'altro peptide, neurotensina, aiuta a regolare la dopamina, un neurotrasmettitore che influenza l'umore e può anche svolgere un ruolo nel cancro del colon-retto. Queste molecole interagiscono con i nanopori principalmente attraverso forze elettrostatiche. I ricercatori hanno inserito nelle nanoparticelle d'oro nanopori ricoperte con un materiale carico che ha potenziato le interazioni elettrostatiche con le molecole.

Il team ha anche esaminato un'altra molecola, glicole polietilenico, la cui capacità di muoversi determina quanto tempo trascorre nel nanoporo. ordinariamente, questa molecola può oscillare, ruotare e allungare liberamente, svincolato dal suo ambiente. Per aumentare il tempo di permanenza della molecola nel nanoporo, i ricercatori hanno alterato la forma del nanoporo, rendendo più difficile per la molecola spremere attraverso la minuscola cavità ed uscire.

"Possiamo sfruttare questi cambiamenti per costruire un biosensore a nanopori su misura per rilevare molecole specifiche, " dice Robertson. Alla fine, un laboratorio di ricerca potrebbe impiegare un tale biosensore per identificare molecole biologiche di interesse o uno studio medico potrebbe utilizzare il dispositivo per identificare marcatori di malattie.

"Le nostre misurazioni forniscono un modello per come possiamo modificare le interazioni del poro, che sia attraverso la geometria o la chimica, o una combinazione di entrambi, per adattare un sensore a nanopori per rilevare molecole specifiche, contando un piccolo numero di molecole, o entrambi, " ha detto Robertson.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.