nanoporo

Esquema de la maquinaria interna de Nanopore y el bloqueo de corriente correspondiente durante la secuenciación

Un nanoporo es un poro de tamaño nanométrico . Puede crearse, por ejemplo, mediante una proteína que forma poros o como un agujero en materiales sintéticos como el silicio o el grafeno.

Cuando un nanoporo está presente en una membrana eléctricamente aislante , se puede utilizar como detector de una sola molécula . Puede ser un canal proteico biológico en una bicapa lipídica de alta resistencia eléctrica , un poro en una membrana de estado sólido o un híbrido de estos: un canal proteico fijado en una membrana sintética. El principio de detección se basa en monitorear la corriente iónica que pasa a través del nanoporo cuando se aplica un voltaje a través de la membrana. Cuando el nanoporo tiene dimensiones moleculares, el paso de moléculas (por ejemplo, ADN ) provoca interrupciones del nivel de corriente "abierto", lo que conduce a una señal de "evento de translocación". El paso de moléculas de ARN o ADN monocatenario a través del canal de alfa-hemolisina incrustado en la membrana (1,5 nm de diámetro), por ejemplo, provoca un bloqueo de ~90% de la corriente (medido en una solución de KCl 1 M). ^[1]

Puede considerarse un contador Coulter para partículas mucho más pequeñas. ^[2]

Tipos

Orgánico

• Los nanoporos pueden estar formados por proteínas formadoras de poros, ^[3] típicamente un núcleo hueco que pasa a través de una molécula de proteína con forma de hongo. Ejemplos de proteínas formadoras de poros son la alfa hemolisina , la aerolisina y la porina MspA . En experimentos típicos de laboratorio con nanoporos, se inserta un único nanoporo de proteína en una membrana bicapa lipídica y se toman mediciones electrofisiológicas de un solo canal. Se han extraído proteínas formadoras de poros más nuevas de bacteriófagos para estudiar su uso como nanoporos. Estos poros se seleccionan generalmente debido a que su diámetro es superior a 2 nm, el diámetro del ADN bicatenario. ^[4]
• Los nanoporos más grandes pueden tener hasta 20 nm de diámetro. Estos poros permiten el paso de moléculas pequeñas como el oxígeno , la glucosa y la insulina , pero impiden el paso de moléculas grandes del sistema inmunológico, como las inmunoglobinas . Por ejemplo, las células pancreáticas de rata están microencapsuladas, reciben nutrientes y liberan insulina a través de nanoporos, quedando totalmente aisladas de su entorno vecino, es decir, de las células extrañas. Este conocimiento puede ayudar a reemplazar los islotes no funcionales de las células de Langerhans en el páncreas (responsables de producir insulina) por células de lechones recolectadas. Pueden implantarse debajo de la piel humana sin necesidad de inmunosupresores, lo que pone a los pacientes diabéticos en riesgo de infección.

Inorgánico

• Los nanoporos de estado sólido generalmente se fabrican en membranas de compuestos de silicio , siendo uno de los más comunes el nitruro de silicio . El segundo tipo de nanoporos de estado sólido ampliamente utilizados son los nanoporos de vidrio fabricados mediante extracción de capilares de vidrio asistido por láser. ^[5] Los nanoporos de estado sólido se pueden fabricar con varias técnicas, incluida la escultura con haz de iones , ^[6] ruptura dieléctrica, ^[7] exposición al haz de electrones mediante TEM ^[8] y grabado con seguimiento de iones. ^[9]
• Más recientemente, se ha explorado el uso de grafeno ^[10] como material para la detección de nanoporos en estado sólido. Otro ejemplo de nanoporos de estado sólido es una nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) . ^[11] La nanoestructura BSG es un sistema multicapa de nanocanales huecos paralelos ubicados a lo largo de la superficie y que tienen una sección transversal cuadrangular. El espesor de las paredes del canal es aproximadamente igual a 1 nm. La anchura típica de las facetas del canal compone aproximadamente 25 nm.
• Se han fabricado nanoporos elastoméricos de tamaño ajustable, lo que permite una medición precisa de las nanopartículas a medida que ocluyen el flujo de corriente iónica. Esta metodología de medición se puede utilizar para medir una amplia gama de tipos de partículas. En contraste con las limitaciones de los poros de estado sólido, permiten la optimización de la magnitud del pulso de resistencia en relación con la corriente de fondo al hacer coincidir estrechamente el tamaño de los poros con el tamaño de las partículas. Como la detección se produce partícula por partícula, se puede determinar el verdadero promedio y la distribución de polidispersidad. ^{[12] [13] Utilizando este principio,} Izon Science Ltd ha desarrollado el único sistema comercial de detección de partículas basado en nanoporos sintonizables del mundo . La nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) se puede utilizar como base para construir dispositivos con tamaños de poro variables. ^[11]

Secuenciación basada en nanoporos

La observación de que una hebra de ADN que contiene diferentes bases se corresponde con cambios en los valores actuales ha llevado al desarrollo de la secuenciación de nanoporos. ^[14] La secuenciación de nanoporos puede ocurrir con nanoporos bacterianos como se menciona en la sección anterior, así como con los dispositivos de secuenciación Nanopore creados por Oxford Nanopore Technologies .

Identificación de monómeros

Desde un punto de vista fundamental, los nucleótidos del ADN o el ARN se identifican en función de los cambios de corriente a medida que la cadena ingresa al poro. El enfoque que utiliza Oxford Nanopore Technologies para la secuenciación de ADN de nanoporos. La muestra de ADN marcada se carga en la celda de flujo dentro del nanoporo. El fragmento de ADN es guiado hasta el nanoporo y comienza el despliegue de la hélice. A medida que la hélice desenrollada se mueve a través del nanoporo, se correlaciona con un cambio en el valor actual que se mide miles de veces por segundo. El software de análisis de nanoporos puede tomar este valor de corriente alterna para cada base detectada y obtener la secuencia de ADN resultante. ^[15] De manera similar, con el uso de nanoporos biológicos, cuando se aplica un voltaje constante al sistema, se puede observar la corriente alterna. A medida que el ADN, el ARN o los péptidos entran en el poro, se pueden observar cambios en la corriente a través de este sistema que son característicos del monómero que se está identificando. ^{[16] [17]}

La rectificación de corriente iónica (ICR) es un fenómeno importante para los nanoporos. La rectificación de corriente iónica también se puede utilizar como sensor de fármacos ^{[18] [19]} y emplearse para investigar el estado de carga en la membrana polimérica. ^[20]

Aplicaciones a la secuenciación de nanoporos.

Además de la secuenciación rápida de ADN , otras aplicaciones incluyen la separación de ADN monocatenario y bicatenario en solución y la determinación de la longitud de los polímeros . En esta etapa, los nanoporos están contribuyendo a la comprensión de la biofísica de los polímeros, al análisis de una sola molécula de las interacciones ADN-proteína, así como a la secuenciación de péptidos. Cuando se trata de secuenciación de péptidos, nanoporos bacterianos como la hemolisina , se pueden aplicar tanto a la secuenciación de ARN como a ADN y, más recientemente, a la secuenciación de proteínas. Por ejemplo, cuando se aplicó en un estudio en el que se sintetizaron péptidos con la misma repetición de glicina-prolina-prolina y luego se sometieron a un análisis de nanoporos, se pudo lograr una secuencia precisa. ^[21] Esto también se puede utilizar para identificar diferencias en la estereoquímica de péptidos basadas en interacciones iónicas intermoleculares. También se pudieron observar algunos cambios de configuración de la proteína en la curva de translocación. ^[22] Comprender esto también aporta más datos para comprender completamente la secuencia del péptido en su entorno. ^[23] El uso de otro nanoporo derivado de bacterias, un nanoporo de aerolisina , ha demostrado capacidad para distinguir residuos dentro de un péptido y también ha demostrado la capacidad para identificar toxinas presentes incluso en muestras de proteínas proclamadas como "muy puras", al tiempo que demuestra estabilidad sobre valores de pH variables. ^[16] Una limitación al uso de nanoporos bacterianos sería que péptidos tan cortos como seis residuos se detectaron con precisión, pero con péptidos más grandes con carga negativa se obtuvo más señal de fondo que no es representativa de la molécula. ^[24]

Aplicaciones alternativas

Desde el descubrimiento de la tecnología de grabado en huellas a finales de la década de 1960, las membranas filtrantes con el diámetro necesario han encontrado potencial de aplicación en diversos campos, incluidos la seguridad alimentaria, la contaminación ambiental, la biología, la medicina, las pilas de combustible y la química. Estas membranas grabadas en pista se fabrican típicamente en membranas poliméricas mediante un procedimiento de grabado en pista, durante el cual la membrana polimérica primero se irradia con un haz de iones pesados ​​para formar pistas y luego se crean poros cilíndricos o poros asimétricos a lo largo de la pista después del grabado en húmedo.

Tan importante como la fabricación de las membranas filtrantes con los diámetros adecuados, son igualmente importantes las caracterizaciones y medidas de estos materiales. Hasta ahora, se han desarrollado algunos métodos, que pueden clasificarse en las siguientes categorías según los mecanismos físicos que explotan: métodos de obtención de imágenes como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la microscopía de fuerza atómica (AFM). ); transporte de fluidos tal como punto de burbuja y transporte de gas; adsorciones de fluidos tales como adsorción/desorción de nitrógeno (BEH), porosimetría de mercurio, equilibrio líquido-vapor (BJH), equilibrio gas-líquido (permoporometría) y equilibrio líquido-sólido (termoporometría); conductancia electrónica; espectroscopia ultrasónica; y transporte molecular.

Más recientemente, se ha propuesto el uso de la técnica de transmisión de luz ^[25] como método para medir el tamaño de los nanoporos.

Ver también

• bloqueo de culombio
• hemolisina
• Nanofluidos
• Nanómetro
• Secuenciación de nanoporos
• Materiales nanoporosos
• Toxina formadora de poros

Referencias

1. Akeson M, Branton D, Kasianowicz JJ, Brandin E, Deamer DW (diciembre de 1999). "Discriminación en escala de tiempo de microsegundos entre ácido policitidílico, ácido poliadenílico y ácido poliuridílico como homopolímeros o como segmentos dentro de moléculas de ARN individuales". Revista Biofísica . 77 (6): 3227–33. Código Bib : 1999BpJ....77.3227A. doi :10.1016/S0006-3495(99)77153-5. PMC  1300593 . PMID  10585944.
2. Cornell, Licenciatura en Letras; Braach-Maksvytis, VLB; Rey, LG; Osman, PDJ; Ragusa, B.; Wieczorek, L.; Pace, RJ (junio de 1997). "Un biosensor que utiliza interruptores de canales iónicos". Naturaleza . 387 (6633): 580–583. Código Bib :1997Natur.387..580C. doi :10.1038/42432. ISSN  0028-0836. PMID  9177344. S2CID  4348659.
3. Bayley H (junio de 2009). "Estructura de la proteína de la membrana: conocimientos penetrantes". Naturaleza . 459 (7247): 651–2. Código Bib :2009Natur.459..651B. doi :10.1038/459651a. PMID  19494904. S2CID  205046984.
4. Feng, Yanxiao; Zhang, Yuechuan; Ying, Cuifeng; Wang, Deqiang; Du, Chunlei (1 de febrero de 2015). "Tecnología de secuenciación de ADN de cuarta generación basada en nanoporos". Genómica, proteómica y bioinformática . 13 (1): 4-16. doi : 10.1016/j.gpb.2015.01.009 . ISSN  1672-0229. PMC 4411503 . PMID  25743089. 
5. Steinbock LJ, Otto O, Skarstam DR, Jahn S, Chimerel C, Gornall JL, Keyser UF (noviembre de 2010). "Sondeo de ADN con micro y nanocapilares y pinzas ópticas". Revista de Física: Materia Condensada . 22 (45): 454113. Código bibliográfico : 2010JPCM...22S4113S. doi :10.1088/0953-8984/22/45/454113. PMID  21339600. S2CID  26928680.
6. Li J, Stein D, McMullan C, Branton D, Aziz MJ, Golovchenko JA (julio de 2001). "Escultura con haz de iones a escalas de longitud nanométrica". Naturaleza . 412 (6843): 166–9. Código Bib :2001Natur.412..166L. doi :10.1038/35084037. PMID  11449268. S2CID  4415971.
7. Kwok, Harold; Briggs, Kyle; Tabard-Cossa, Vicente (21 de marzo de 2014). "Fabricación de nanoporos mediante descomposición dieléctrica controlada". MÁS UNO . 9 (3): e92880. doi : 10.1371/journal.pone.0092880 . ISSN  1932-6203. PMC 3962464 . PMID  24658537. 
8. Muhammad Sajeer P; Simran; Nukala, Pavan; Manoj M. Varma (1 de noviembre de 2022). "Aplicaciones basadas en TEM en nanoporos de estado sólido: desde la fabricación hasta la bioimagen líquida in situ". Micron . 162 : 103347. doi : 10.1016/j.micron.2022.103347. ISSN  0968-4328.
9. Vlassiouk, Iván; Apel, Pavel Y.; Dmitriev, Sergey N.; Healy, Ken; Siwy, Zuzanna S. (15 de diciembre de 2009). "Membranas de nitruro de silicio nanoporosas ultrafinas y versátiles". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 106 (50): 21039–21044. doi : 10.1073/pnas.0911450106 . ISSN  0027-8424. PMC 2795523 . PMID  19948951. 
10. Garaj S, Hubbard W, Reina A, Kong J, Branton D, Golovchenko JA (septiembre de 2010). "El grafeno como membrana transelectroda subnanométrica". Naturaleza . 467 (7312): 190–3. arXiv : 1006.3518 . Código Bib :2010Natur.467..190G. doi : 10.1038/naturaleza09379. PMC 2956266 . PMID  20720538. 
11. Lapshin RV (2016). "La observación STM de una nanoestructura de grafeno en forma de caja apareció después de la escisión mecánica del grafito pirolítico" (PDF) . Ciencia de superficies aplicada . 360 : 451–460. arXiv : 1611.04379 . Código Bib : 2016ApSS..360..451L. doi :10.1016/j.apsusc.2015.09.222. S2CID  119369379.
12. Roberts GS, Kozak D, Anderson W, Broom MF, Vogel R, Trau M (diciembre de 2010). "Nano/microporos sintonizables para detección y discriminación de partículas: espectroscopia de oclusión iónica de barrido". Pequeño . 6 (23): 2653–8. doi :10.1002/smll.201001129. PMID  20979105.
13. Sowerby SJ, Broom MF, Petersen GB (abril de 2007). "Aperturas a escala nanométrica de tamaño dinámicamente redimensionable para detección molecular". Sensores y Actuadores B: Químicos . 123 (1): 325–30. doi :10.1016/j.snb.2006.08.031.
14. Clarke J, Wu HC, Jayasinghe L, Patel A, Reid S, Bayley H (abril de 2009). "Identificación continua de bases para la secuenciación de ADN de nanoporos de una sola molécula". Nanotecnología de la naturaleza . 4 (4): 265–70. Código bibliográfico : 2009NatNa...4..265C. doi :10.1038/nnano.2009.12. PMID  19350039.
15. Li S, Cao C, Yang J, Long YT (2 de enero de 2019). "Detección de péptidos con diferentes cargas y longitudes mediante el uso del nanoporo de aerolisina". ChemElectroChem . 6 (1): 126-129. doi : 10.1002/celc.201800288 .
16. Wang Y, Gu LQ, Tian K (agosto de 2018). "El nanoporo de aerolisina: de las aplicaciones peptidomicas a las genómicas". Nanoescala . 10 (29): 13857–13866. doi :10.1039/C8NR04255A. PMC 6157726 . PMID  29998253. 
17. Bharagava RN, Compra D, Saxena G, Mulla SI (2019). "Aplicaciones de la metagenómica en la biorremediación microbiana de contaminantes". Diversidad microbiana en la era genómica . Elsevier. págs. 459–477. doi :10.1016/b978-0-12-814849-5.00026-5. ISBN 9780128148495. S2CID  134957124.
18. Wang J, Martin CR (febrero de 2008). "Un nuevo paradigma de detección de fármacos basado en la rectificación de corriente iónica en un nanoporo de forma cónica". Nanomedicina . 3 (1): 13–20. doi :10.2217/17435889.3.1.13. PMID  18393663. S2CID  37103067.
19. Guo Z, Wang J, Wang E (enero de 2012). "Discriminación selectiva de pequeñas biomoléculas hidrofóbicas basada en rectificación de corriente iónica en nanocanales de forma cónica". Talanta . 89 : 253–7. doi :10.1016/j.talanta.2011.12.022. PMID  22284488.
20. Guo Z, Wang J, Ren J, Wang E (septiembre de 2011). "Rectificación de corriente iónica con pH inverso mostrada por nanocanal de forma cónica sin ninguna modificación". Nanoescala . 3 (9): 3767–73. Código Bib : 2011 Nanos...3.3767G. doi :10.1039/c1nr10434a. PMID  21826328. S2CID  205795031.
21. Sutherland TC, Long YT, Stefureac RI, Bediako-Amoa I, Kraatz HB, Lee JS (julio de 2004). "Estructura de péptidos investigada mediante análisis de nanoporos". Nano Letras . 4 (7): 1273–1277. Código Bib : 2004NanoL...4.1273S. doi :10.1021/nl049413e.
22. Schmid, Sonja; Stömmer, Pierre; Dietz, Hendrik; Dekker, Cees (9 de marzo de 2021). "Trampa electroosmótica de nanoporos para el estudio sin etiquetas de proteínas individuales y sus conformaciones". doi :10.1101/2021.03.09.434634. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
23. Schiopu I, Iftemi S, Luchian T (13 de enero de 2015). "Investigación de nanoporos de las interacciones estereoselectivas entre los aminoácidos Cu (2+) y D, L-histidina diseñados en un análogo de fragmento amiloídico". Langmuir . 31 (1): 387–96. doi :10.1021/la504243r. PMID  25479713.
24. Li S, Cao C, Yang J, Long YT (2019). "Detección de péptidos con diferentes cargas y longitudes mediante el uso del nanoporo de aerolisina". ChemElectroChem . 6 (1): 126-129. doi : 10.1002/celc.201800288 .
25. Yang L, Zhai Q, Li G, Jiang H, Han L, Wang J, Wang E (diciembre de 2013). "Una técnica de transmisión de luz para medir el tamaño de los poros en membranas grabadas en pista". Comunicaciones Químicas . 49 (97): 11415–7. doi :10.1039/c3cc45841e. PMID  24169442. S2CID  205842947.

Otras lecturas

• Hou X, Guo W, Jiang L (mayo de 2011). "Nanoporos y nanocanales inteligentes biomiméticos". Reseñas de la sociedad química . 40 (5): 2385–401. doi :10.1039/C0CS00053A. PMID  21308139.
• Hou X, Jiang L (noviembre de 2009). "Aprender de la naturaleza: construir nanocanales inteligentes bioinspirados". ACS Nano . 3 (11): 3339–42. doi :10.1021/nn901402b. PMID  19928930.
• Hou X, Zhang H, Jiang L (mayo de 2012). "Construcción de nanocanales funcionales artificiales bioinspirados: de la modificación simétrica a la asimétrica". Angewandte Chemie . 51 (22): 5296–307. doi :10.1002/anie.201104904. PMID  22505178.
• Wang H, Dunning JE, Huang AP, Nyamwanda JA, Branton D (septiembre de 2004). "Heterogeneidad y fosforilación del ADN reveladas por electroforesis de una sola molécula". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 101 (37): 13472–7. Código bibliográfico : 2004PNAS..10113472W. doi : 10.1073/pnas.0405568101 . PMC  518781 . PMID  15342914.

enlaces externos

• Simulaciones por computadora de dispositivos de nanoporos.
• Sensores de nanoporos cónicos
• Canales biomiméticos y dispositivos iónicos