科学家构建出一种能够识别单分子的更好“纳米孔”生物传感器

2021年05月03日 11:00 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,研究人员花费了30多年的时间开发和研究能识别单分子的微型生物传感器。5到10年后,当这种设备成为医生办公室的主要设备时,它们就可以检测癌症和其他疾病的分子标记并评估治疗这些疾病的药物治疗的有效性。

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为了帮助实现这一目标并提高测量的准确性和速度,科学家们必须找到更好地理解分子如何跟这些传感器相互作用的方法。来自美国国家标准与技术研究所(NIST)和弗吉尼亚联邦大学(VCU)的研究人员现在合作开发了一种新方法。他们在最近一期的《Science Advances》上报告了他们的发现。

该团队通过制造形成细胞膜的生物材料的人造版本来制造生物传感器,其被称为脂质双分子层,包含一个直径约2纳米的微小孔、被液体包围。溶解在液体中的离子通过纳米孔产生微小的电流。然而当一个感兴趣的分子进入薄膜时它会部分阻碍电流的流动。这种封锁的持续时间和强度就像指纹,能识别特定分子的大小和性质。

为了对大量的单个分子进行精确的测量,所研究的分子必须在纳米孔中停留一段既不太长也不太短的时间,时间范围从100万分之一秒到10万分之一秒不等。问题是,如果纳米孔以某种方式将大部分分子固定在一个位置上,那么在这段时间内,大多数分子只能呆在纳米孔的小体积中。这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障--例增加静电力或改变纳米孔的形状--使分子更难逃脱。

突破屏障所需的最小能量因不同类型的分子而异,这对生物传感器的高效和准确工作至关重要。计算这个量需要测量跟分子进出孔时的能量相关的几个特性。

关键的是,其目标是测量分子跟其环境之间的相互作用主要来自化学键还是来自分子在捕获和释放过程中摆动和自由移动的能力。

截止到目前,由于一些技术原因,提取这些高能成分的可靠测量方法一直缺失。在这项新的研究中,由NIST的Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同领导的团队展示了用一种快速、基于激光的加热方法来测量这些能量的能力。

测量必须在不同的温度下进行,而激光加热系统确保这些温度变化发生迅速和重复。这使得研究人员可以在不到2分钟的时间内完成测量,而不是需要30分钟甚至更长时间。

“没有这种基于激光的加热工具,我们的经验表明,测量根本无法完成;这样做既费时又费钱。”Robertson说道,“从本质上讲,我们已经开发了一种工具,它可能会改变纳米孔传感器的开发管道从而迅速减少传感器发现过程中的猜测。”

一旦能量测量完成,它们就可以帮助揭示分子是如何跟纳米孔相互作用的。科学家可以利用这些信息来确定检测分子的最佳策略。

带着这个目标,研究人员使用两个小肽展示了这种方法,这两个短链化合物构成了蛋白质的积木。其中一种肽--血管紧张素,用于稳定血压。另一种肽--神经紧张素,帮助调节多巴胺--一种影响情绪的神经递质也可能在结肠直肠癌中发挥作用。这些分子主要通过静电力跟纳米孔相互作用。研究人员将带有带电物质的金纳米颗粒插入到纳米孔中,这种带电物质可以增强跟分子之间的静电相互作用。

团队还检测了另一种分子--聚乙二醇,它的移动能力决定了它在纳米孔中停留的时间。通常情况下,这种分子可以自由摆动、旋转和伸展且不受环境的阻碍。为了增加分子在纳米孔中的停留时间,研究人员改变了纳米孔的形状从而使分子更难挤过微小的空腔并离开。

Robertson说道:“我们可以利用这些变化来建造一个专门用于检测特定分子的纳米孔生物传感器。”最终,研究实验室可以使用这种生物传感器来识别感兴趣的生物分子,或医生办公室也可以使用这种设备来识别疾病标记物。

Robertson表示:“无论是通过几何结构或化学或两者的结合来定制一个纳米孔传感器以检测特定的分子、计数小分子或两者,我们的测量为我们如何修改孔隙的相互作用提供了蓝图。”

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