WikiDer > Нанопора - Википедия

Nanopore - Wikipedia
Схема внутреннего механизма нанопор и соответствующая блокировка тока во время секвенирования

А нанопора порой нанометр размер. Он может, например, создаваться порообразующим белком или как дыра в синтетических материалах, таких как кремний или графен.

Когда нанопора присутствует в электрически изолирующем мембрана, его можно использовать как одноразовыймолекула детектор. Это может быть канал биологического белка с высоким электрическим сопротивлением. липидный бислой, поры в твердотельной мембране или их гибрид - белковый канал, установленный в синтетической мембране. Принцип обнаружения основан на мониторинге ионного тока, проходящего через нанопору, когда на мембрану подается напряжение. Когда нанопора имеет молекулярные размеры, прохождение молекул (например, ДНК) вызывают прерывания «открытого» текущего уровня, что приводит к сигналу «событие перемещения». Прохождение РНК или одноцепочечных молекул ДНК через заделанный мембраной канал альфа-гемолизина (диаметр 1,5 нм), например, вызывает ~ 90% блокировку тока (измерено для 1 М раствора KCl).[1]

Это можно считать Счетчик сошников для гораздо более мелких частиц.

Типы нанопор

Органический

  • Нанопоры могут быть образованы порообразующими белками,[2] обычно полая сердцевина, проходящая через грибовидную молекулу белка. Примеры порообразующих белков: альфа гемолизин, аэролизин, и MspA порин. В типичных лабораторных экспериментах с нанопорами одна белковая нанопора вставляется в липидный бислой мембранные и одноканальные электрофизиология сняты измерения.
  • Более крупные нанопоры могут достигать 20 нм в диаметре. Эти поры позволяют мелким молекулам, таким как кислород, глюкоза и инсулин однако они предотвращают образование крупных молекул иммунной системы, таких как иммуноглобины от прохождения. Например, клетки поджелудочной железы крысы микрокапсулированы, они получают питательные вещества и выделяют инсулин через нанопоры, будучи полностью изолированными от окружающей среды, то есть от чужеродных клеток. Эти знания могут помочь заменить нефункциональные островки Клетки Лангерганса в поджелудочной железе (отвечающей за производство инсулина) собранными клетками поросят. Их можно имплантировать под кожу человека без применения иммунодепрессантов, которые подвергают пациентов с диабетом риску заражения.

Неорганический

  • Твердотельные нанопоры обычно создаются в кремний составные мембраны, одна из самых распространенных нитрид кремния. Второй тип широко используемых твердотельных нанопор - это стеклянные нанопоры, полученные путем вытягивания стеклянного капилляра с помощью лазера.[3] Твердотельные нанопоры могут быть изготовлены несколькими способами, включая ионно-лучевая скульптура[4] и электронные пучки.[5]
  • Совсем недавно использование графен[6] в качестве материала для твердотельного зондирования нанопор. Другой пример твердотельных нанопор - коробчатый графен (BSG). наноструктура.[7] Наноструктура BSG представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок канала примерно равна 1 нм. Типичная ширина граней канала составляет около 25 нм.
  • Изготовлены регулируемые по размеру эластомерные нанопоры, позволяющие точно измерять наночастицы, поскольку они перекрывают поток ионного тока. Эта методика измерения может использоваться для измерения широкого спектра типов частиц. В отличие от ограничений твердотельных пор, они позволяют оптимизировать величину импульса сопротивления относительно фонового тока путем согласования размера пор, близкого к размеру частиц. Поскольку обнаружение происходит на основе каждой частицы, можно определить истинное среднее значение и распределение полидисперсности.[8][9] Используя этот принцип, единственная в мире коммерческая настраиваемая система обнаружения частиц на основе нанопор была разработана Izon Science Ltd. Коробчатая наноструктура графена (BSG) может быть использована в качестве основы для создания устройств с изменяемым размером пор.[7]

Секвенирование на основе нанопор

Наблюдение за тем, что проходящая цепь ДНК, содержащая разные основания, соответствует сдвигам в текущих значениях, привело к развитию секвенирование нанопор[10] Секвенирование нанопор может происходить с бактериальными нанопорами, как упомянуто в предыдущем разделе, а также с устройством (-ами) секвенирования нанопор, созданным Oxford Nanopore Technologies.

Идентификация мономера

С фундаментальной точки зрения, нуклеотиды ДНК или РНК идентифицируются на основе сдвигов тока, когда нить входит в пору. Подход, который Oxford Nanopore Technologies Использование для секвенирования ДНК нанопор меченый образец ДНК загружается в проточную ячейку внутри нанопоры. Фрагмент ДНК направляется к нанопоре и начинает разворачивание спирали. Когда размотанная спираль движется через нанопору, это коррелирует с изменением значения тока, которое измеряется тысячами раз в секунду. Программное обеспечение для анализа нанопор может принимать это значение переменного тока для каждого обнаруженного основания и получать результирующую последовательность ДНК.[11] Аналогично с использованием биологических нанопор, когда к системе прикладывается постоянное напряжение, можно наблюдать переменный ток. Когда ДНК, РНК или пептиды попадают в пору, через эту систему можно наблюдать сдвиги тока, характерные для идентифицируемого мономера.[12][13]

Выпрямление ионного тока (ICR) - важное явление для нанопор. Выпрямление ионного тока также может использоваться как датчик наркотиков.[14][15] и использоваться для исследования состояния заряда в полимерной мембране.[16]

Приложения к секвенированию нанопор

Помимо быстрого Секвенирование ДНК, другие приложения включают разделение одноцепочечной и двухцепочечной ДНК в растворе, а также определение длины полимеры. На этом этапе нанопоры вносят вклад в понимание биофизики полимеров, анализ взаимодействия ДНК-белок на одной молекуле, а также секвенирование пептидов. Когда дело доходит до секвенирования пептидов бактериальных нанопор, таких как гемолизин, может применяться как к РНК, так и к ДНК, а также к последнему секвенированию белков. Например, при применении в исследовании, в котором пептиды с одним и тем же повторением глицин-пролин-пролин были синтезированы, а затем подвергнуты анализу нанопор, можно было получить точную последовательность.[17] Это также может быть использовано для определения различий в стереохимии пептидов на основе межмолекулярных ионных взаимодействий. Понимание этого также дает больше данных для понимания последовательности пептида полностью в его окружении.[18] Использование другой бактериальной нанопоры, аэролизин nanopore, продемонстрировала способность, продемонстрировав аналогичную способность различать остатки внутри пептида, также продемонстрировала способность идентифицировать токсины, присутствующие даже в заявленных «очень чистых» образцах белка, демонстрируя при этом стабильность при различных значениях pH.[12] Ограничением использования бактериальных нанопор могло бы быть то, что пептиды длиной до шести остатков точно определялись, но с более крупными и отрицательно заряженными пептидами приводили к большему фоновому сигналу, который не является репрезентативным для молекулы.[19]

Альтернативные приложения

С момента открытия технологии трекового травления в конце 1960-х годов фильтрующие мембраны необходимого диаметра нашли применение в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти трековые мембраны обычно изготавливаются в полимерной мембране посредством процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов для образования треков, а затем после влажного травления вдоль трека образуются цилиндрические поры или асимметричные поры.

Так же важно, как изготовление фильтрующих мембран надлежащего диаметра, характеристики и измерения этих материалов имеют такое же первостепенное значение. К настоящему времени было разработано несколько методов, которые можно разделить на следующие категории в соответствии с используемыми физическими механизмами: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия(SEM), просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ), атомно-силовая микроскопия(АСМ); транспортировка жидкости, такая как точка кипения и транспортировка газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция / десорбция азота (BEH), порозиметрия ртути, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое вещество (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; и молекулярный транспорт.

Совсем недавно использование техники светопропускания[20] в качестве метода измерения размера нанопор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Akeson M, Branton D, Kasianowicz JJ, Brandin E, Deamer DW (декабрь 1999 г.). «Микросекундная шкала времени различения полицитидиловой кислоты, полиадениловой кислоты и полиуридиловой кислоты как гомополимеров или как сегментов внутри отдельных молекул РНК». Биофизический журнал. 77 (6): 3227–33. Bibcode:1999BpJ .... 77.3227A. Дои:10.1016 / S0006-3495 (99) 77153-5. ЧВК 1300593. PMID 10585944.
  2. ^ Бейли Х (июнь 2009 г.). «Мембранно-белковая структура: проницательные идеи». Природа. 459 (7247): 651–2. Bibcode:2009Натура.459..651Б. Дои:10.1038 / 459651a. PMID 19494904. S2CID 205046984.
  3. ^ Стейнбок Л.Дж., Отто О., Скарстам Д.Р., Ян С., Химерель С., Горналл Д.Л., Кейзер Ю.Ф. (ноябрь 2010 г.). «Исследование ДНК с помощью микро- и нанокапилляров и оптического пинцета». Журнал физики: конденсированное вещество. 22 (45): 454113. Bibcode:2010JPCM ... 22S4113S. Дои:10.1088/0953-8984/22/45/454113. PMID 21339600.
  4. ^ Ли Дж., Стейн Д., Макмаллан С., Брэнтон Д., Азиз М. Дж., Головченко Дж. А. (июль 2001 г.). «Скульптура ионным пучком в нанометровом масштабе». Природа. 412 (6843): 166–9. Bibcode:2001Натура.412..166л. Дои:10.1038/35084037. PMID 11449268. S2CID 4415971.
  5. ^ Сторм А.Дж., Чен Дж.Х., Линг XS, Зандберген Х.В., Деккер С. (август 2003 г.). «Изготовление твердотельных нанопор с точностью до одного нанометра». Материалы Природы. 2 (8): 537–40. Bibcode:2003НатМа ... 2..537С. Дои:10.1038 / nmat941. PMID 12858166. S2CID 8425590.
  6. ^ Гарадж С., Хаббард В., Рейна А., Конг Дж., Брантон Д., Головченко Дж. А. (сентябрь 2010 г.). «Графен как субнанометрическая трансэлектродная мембрана». Природа. 467 (7312): 190–3. arXiv:1006.3518. Bibcode:2010Натура.467..190G. Дои:10.1038 / природа09379. ЧВК 2956266. PMID 20720538.
  7. ^ а б Лапшин Р.В. (2016). «Наблюдение СТМ коробчатой ​​графеновой наноструктуры, появившейся после механического разрушения пиролитического графита» (PDF). Прикладная наука о поверхности. 360: 451–460. arXiv:1611.04379. Bibcode:2016ApSS..360..451L. Дои:10.1016 / j.apsusc.2015.09.222. S2CID 119369379.
  8. ^ Робертс Г.С., Козак Д., Андерсон В., Брум М.Ф., Фогель Р., Трау М. (декабрь 2010 г.). «Настраиваемые нано / микропоры для обнаружения и различения частиц: сканирующая спектроскопия ионной окклюзии». Малый (Вайнхайм-ан-дер-Бергштрассе, Германия). 6 (23): 2653–8. Дои:10.1002 / smll.201001129. PMID 20979105.
  9. ^ Sowerby SJ, Broom MF, Petersen GB (апрель 2007 г.). «Динамически изменяемые апертуры нанометрового масштаба для молекулярного зондирования». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 123 (1): 325–30. Дои:10.1016 / j.snb.2006.08.031.
  10. ^ Кларк Дж, Ву ХК, Джаясингхе Л., Патель А., Рид С., Бейли Х. (апрель 2009 г.). «Непрерывная идентификация оснований для секвенирования одномолекулярных нанопор ДНК». Природа Нанотехнологии. 4 (4): 265–70. Bibcode:2009НатНа ... 4..265С. Дои:10.1038 / nnano.2009.12. PMID 19350039.
  11. ^ Ли С., Цао Ц, Ян Дж, Лонг Ю.Т. (02.01.2019). «Обнаружение пептидов с разным зарядом и длиной с помощью нанопор аэролизина». ХимЭлектроХим. 6 (1): 126–129. Дои:10.1002 / celc.201800288.
  12. ^ а б Ван И, Гу LQ, Тиан К. (август 2018 г.). «Нанопоры аэролизина: от пептидомных к геномным приложениям». Наномасштаб. 10 (29): 13857–13866. Дои:10.1039 / C8NR04255A. ЧВК 6157726. PMID 29998253.
  13. ^ Бхарагава Р.Н., Покупка D, Саксена Г., Мулла С.И. (2019). "Применение метагеномики в микробной биоремедиации загрязнителей". Разнообразие микробов в эпоху генома. Эльзевир. С. 459–477. Дои:10.1016 / b978-0-12-814849-5.00026-5. ISBN 9780128148495.
  14. ^ Ван Дж, Мартин ЧР (февраль 2008 г.). «Новая парадигма распознавания лекарств, основанная на выпрямлении ионного тока в конической нанопоре». Наномедицина. 3 (1): 13–20. Дои:10.2217/17435889.3.1.13. PMID 18393663. S2CID 37103067.
  15. ^ Го З, Ван Дж, Ван Э (январь 2012 г.). «Селективная дискриминация малых гидрофобных биомолекул на основе выпрямления ионного тока в наноканале конической формы». Таланта. 89: 253–7. Дои:10.1016 / j.talanta.2011.12.022. PMID 22284488.
  16. ^ Го З, Ван Дж, Рен Дж, Ван Э (сентябрь 2011 г.). «Выпрямление ионного тока с обратным pH отображается с помощью наноканала конической формы без каких-либо изменений». Наномасштаб. 3 (9): 3767–73. Bibcode:2011Nanos ... 3.3767G. Дои:10.1039 / c1nr10434a. PMID 21826328. S2CID 205795031.
  17. ^ Sutherland TC, Long YT, Stefureac RI, Bediako-Amoa I, Kraatz HB, Lee JS (июль 2004 г.). «Структура пептидов, исследованная методом нанопор». Нано буквы. 4 (7): 1273–1277. Bibcode:2004NanoL ... 4.1273S. Дои:10.1021 / nl049413e.
  18. ^ Скиопу I, Ифтеми С., Лучиан Т. (2015-01-13). «Исследование нанопора из стереоселективных взаимодействий между Cu (2+) и D, L-гистидином аминокислот сконструированной в amyloidic фрагмент аналог». Langmuir. 31 (1): 387–96. Дои:10.1021 / la504243r. PMID 25479713.
  19. ^ Ли С., Цао Ц., Ян Дж., Лонг Ю.Т. (2019). «Обнаружение пептидов с разным зарядом и длиной с помощью нанопор аэролизина». ХимЭлектроХим. 6 (1): 126–129. Дои:10.1002 / celc.201800288.
  20. ^ Ян Л., Чжай Ц., Ли Г, Цзян Х, Хан Л., Ван Дж, Ван Э (декабрь 2013 г.). «Метод светопропускания для измерения размера пор в трековых мембранах». Химические коммуникации. 49 (97): 11415–7. Дои:10.1039 / c3cc45841e. PMID 24169442. S2CID 205842947.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка