Negli organismi viventi, le cellule hanno una capacità molto elevata di elaborare e comunicare informazioni spostando molecole o ioni attraverso minuscoli canali che attraversano la membrana cellulare. Il laboratorio di Marco Rolandi, professore di ingegneria elettrica e informatica dell'UC Santa Cruz, e i suoi collaboratori al MIT hanno creato un dispositivo che imita questo concetto biologico per rilevare le malattie.
Utilizzando il loro sistema bioprotonico, un dispositivo che integra componenti elettronici con componenti biologici e utilizza correnti elettriche di protoni, i ricercatori possono rilevare biomolecole che indicano la presenza di malattie umane, tra le altre applicazioni. I dettagli su questo dispositivo sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Le cellule tendono ad essere interconnesse:parlano tra loro o con l'ambiente esterno, utilizzando questi canali intermembrana", ha detto Rolandi. "Ciò che abbiamo deciso di fare con i nostri collaboratori del MIT è stato creare un canale ionico artificiale in modo da poter ottimizzare le proprietà del canale ionico e la sua funzionalità come desideriamo."
Utilizzando una tecnica chiamata DNA origami, i ricercatori del MIT possono bioingegnerizzare un filamento di DNA, che forma naturalmente la forma di una doppia elica, in qualsiasi forma desiderino. Per questo progetto, hanno creato un minuscolo tunnel appositamente programmato affinché un flusso di protoni (H-plus) possa attraversarlo in modo ottimale. Questo minuscolo canale è noto come nanoporo, un concetto originariamente sperimentato all'UCSC.
Il nanoporo del DNA si trova all'interno del sistema bioprotonico di Rolandi, progettato per imitare il mondo acquoso e conduttore di ioni dell'ambiente cellulare. Un doppio strato di lipidi simile a una membrana cellulare separa l'acqua che rappresenta l'ambiente esterno a una cellula da un elettrodo che rappresenta l'interno di una cellula, e il nanoporo incorporato funge da canale tra i due lati.
L'elettrodo invia un flusso di protoni attraverso il canale del nanoporo all'altro lato del nanoporo, dove è presente un sito di legame della molecola che può essere personalizzato in modo che biomolecole specifiche di interesse vi si attacchino. Se una di queste molecole è presente nell'acqua, si attaccherà a un'estremità del nanoporo e bloccherà il flusso di protoni attraverso il canale.
Il dispositivo traduce il segnale del protone in un segnale elettronico che i ricercatori possono leggere. Quando il dispositivo non rileva i protoni che fluiscono attraverso il canale, i ricercatori sanno che è presente una biomolecola.
Il dispositivo include anche due maniglie fatte di colesterolo che si posizionano attraverso il doppio strato lipidico e migliorano la conduttività dei protoni attraverso il canale dei nanopori.
"L'unicità dell'approccio è la combinazione di questi dispositivi di conduzione protonica con doppi strati lipidici di supporto, e credo che siamo gli unici gruppi che stanno lavorando su questi, con questo design dock per i nanopori del DNA", ha detto Rolandi. "La novità è sia l'integrazione del dispositivo che la capacità di percepire utilizzando questi nanopori di DNA."
Nel documento, i ricercatori mostrano di essere in grado di utilizzare il sistema bioprotonico per il rilevamento della biomolecola peptide natriuretico di tipo B, un indicatore di malattie cardiache. Ciò dimostra il potenziale del dispositivo da utilizzare per il rilevamento di biomolecole in un ambiente in vitro o clinico.
In futuro, i ricercatori immaginano che il dispositivo possa contenere più nanopori, ciascuno programmato per rilevare un diverso tipo di biomolecola.
"Fa sicuramente parte dell'attrattiva del sistema:nel prossimo futuro potremmo eseguire il multiplexing, quindi potremmo avere una suite completa di biosensori", ha affermato Rolandi.
I ricercatori dell’UCSC Le (Dante) Luo, Yunjeong Park e Jesse Vicente hanno contribuito a questo articolo. A questo progetto hanno partecipato anche ricercatori dell'Università di Washington e della TOBB University of Economics and Technology di Ankara, in Turchia.
Ulteriori informazioni: Le Luo et al, Nanopori del DNA come canali di membrana artificiali per la bioprotonica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della California - Santa Cruz
