بسیاری از جهت گیری ها و کاربردهای متنوع تحقیقاتی نانوحفره فراتر از توالی یابی DNA


در اخیر نانوتکنولوژی طبیعت در این مطالعه، محققان کاربردهای متنوعی از فناوری مبتنی بر نانوحفره را فراتر از توالی‌یابی دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) توصیف می‌کنند. به طور خاص، تحقیقات فعلی بر پیشرفت های این فناوری در شیمی، بیوفیزیک و علوم نانو تمرکز دارد.

مطالعه: فناوری‌های مبتنی بر نانوحفره فراتر از توالی‌یابی DNA.  اعتبار تصویر: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

مطالعه: فناوری های مبتنی بر نانوحفره فراتر از توالی یابی DNA اعتبار تصویر: Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

نانو منافذ چیست؟

در یک کاربرد معمولی، آنالیت‌های مورد علاقه تحت یک جریان اعمالی وارد نانوحفره می‌شوند که جریان یون‌ها را از طریق نانوحفره تغییر می‌دهد. این تغییر در جریان یون به عنوان یک ضبط جریان وابسته به زمان منعکس می‌شود که می‌تواند برای حس کردن و مشخص کردن بیومولکول‌های مختلف مانند DNA، RNA، پروتئین‌ها، پپتیدها، متابولیت‌ها و کمپلکس‌های پروتئین-DNA در سطح مولکولی استفاده شود.

نوع نانوحفره مورد استفاده برای یک مطالعه خاص به آنالیت مورد نظر بستگی دارد، زیرا هر دو بعد نانوحفره و آنالیت باید قابل مقایسه باشند تا تغییر قابل ثبت در جریان یونی ایجاد شود.

به عنوان مثال، نانوحفره‌های بیولوژیکی می‌توانند زیست مولکول‌هایی را با قطرهایی در محدوده 1- تا 10 نانومتر (nm) تشخیص دهند. در مقایسه، نانو منافذ حالت جامد برای کاربردهای نوری، از جمله الکترون/یون میلیون، حکاکی نوری مبتنی بر لیزر، و تجزیه دی‌الکتریک غشاهای جامد بسیار نازک استفاده می‌شوند.

کاربردهای نانو منافذ

اگرچه نانو منافذ در ابتدا برای سنجش یون‌ها و مولکول‌های کوچک، به‌ویژه برای اهداف تعیین توالی DNA توسعه یافتند، اما کاربردهای این فناوری به‌طور قابل‌توجهی گسترش یافته است.

برخی از مزایای کلیدی نانوحفره ها که به کاربرد گسترده آنها کمک کرده است عبارتند از توانایی آنها در گرفتن مولکول های منفرد به صورت متوالی و با سرعت سریع، تبدیل هر دو ویژگی ساختاری و شیمیایی آنالیت ها به یک جریان یونی قابل اندازه گیری و شناسایی گونه های بدون برچسب برای تقویت سیگنال

تجزیه و تحلیل ساختاری تک پروتئینی و توالی یابی

نانوحفره‌های حالت جامد می‌توانند به استخراج خواص عمومی پروتئین‌ها مانند حجم، دوقطبی و شکل کمک کنند. علاوه بر این، لیگاندهایی مانند بیوتین، آپتامرها، دامنه‌های پروتئینی یا آنتی‌بادی‌ها می‌توانند مستقیماً به نانوحفره‌های بیولوژیکی متصل شوند، حتی در حضور محیط‌های پیچیده مانند سرم.

علاوه بر شناسایی پروتئین‌ها، نانوحفره‌ها می‌توانند به عنوان حسگرهای تک مولکولی برای ارائه اطلاعات در مورد فعالیت، دینامیک و تغییرات ساختاری پروتئین‌ها عمل کنند. برای مثال، با به دام انداختن یک پروتئین در داخل یک نانوحفره بیولوژیکی، محققان می‌توانند اطلاعاتی در مورد تغییرات ساختاری و پویایی پروتئین در حالی که در داخل نانوحفره باقی می‌ماند به دست آورند.

اگرچه نانوحفره‌ها نمی‌توانند اطلاعاتی در مورد فعالیت آنزیم‌های منفرد ارائه دهند، اما ممکن است بتوانند تشکیل محصولات را به دنبال واکنش‌های آنزیمی، عمدتاً زمانی که سنجش‌های طیف‌سنجی معمولی در دسترس نیستند، نظارت کنند.

شیمی تک مولکولی

نانوحفره‌های بیولوژیکی مهندسی شده برای حاوی مکان‌های واکنش‌پذیر به عنوان نانوراکتورهای پروتئینی شناخته می‌شوند. این نانوحفره‌های خاص می‌توانند در تجزیه و تحلیل رویدادهای ایجاد پیوند و شکستن پیوند مولکول‌های مجزا که به دیواره داخلی نانوحفره متصل شده‌اند، کمک کنند زیرا جریان یونی را تعدیل می‌کند. کاربردهای اضافی نانوراکتورها شامل تجزیه و تحلیل فیتوشیمی، تبدیلات استریوشیمیایی، مراحل پلیمریزاسیون و یک اثر ایزوتوپی اولیه است.

نانو منافذ برای مطالعه فرآیندهای بیولوژیکی

سلول‌ها دارای منافذ متعددی به اندازه نانومتر در غشاهای خود هستند که به عنوان دروازه‌ای برای انتقال مولکولی بین بخش‌های سلولی عمل می‌کنند. برای درک بهتر مکانیسم‌های دخیل در انتقال بیومولکول‌ها از طریق این منافذ، می‌توان آنها را از سلول استخراج کرد و در غشاهای لیپیدی مسطح قرار داد. متأسفانه، این رویکرد بازسازی بسیار دشوار است. بنابراین، نانوحفره ها فرصت های هیجان انگیزی را برای مطالعه زیست شناسی سلولی ارائه می دهند.

سیستم های مهندسی شده مبتنی بر نانو منافذ مختلف می توانند منافذ بیولوژیکی را تقلید کنند درونکشتگاهی، مانند نانوحفره‌های حالت جامد نامتقارن، که می‌توانند کانال‌های یونی قابل تعویض را برای مطالعه پمپ‌های یونی و منافذ دارای یون و pH تقلید کنند. علاوه بر این، منافذ اوریگامی DNA مصنوعی نیز می‌تواند برای تقلید کانال‌های یونی با لیگاند مورد استفاده قرار گیرد، در حالی که نانوحفره‌های بیولوژیکی را می‌توان برای تقلید از انتقال‌دهنده‌های غشایی غیرفعال یا فعال طراحی کرد.

مجتمع منافذ هسته ای (NPC)، منافذ بزرگتری که حمل و نقل پروتئین ها و RNA ها را بین بخش های سلولی تنظیم می کند، ممکن است از طریق NPC های بیومیمتیک نیز مورد مطالعه قرار گیرد. اگرچه اطلاعات قابل توجهی در مورد عملکرد بیولوژیکی NPC ها در دسترس است، NPC های بیومیمتیک می توانند برای درک بهتر ویژگی های انتقال ویژه این منافذ بیولوژیکی استفاده شوند.

شناسایی و تعیین کمیت نشانگرهای زیستی

تجزیه و تحلیل حضور بیومارکرهای خاص در نمونه های زیست پزشکی، مانند مایعات بدن، بیوپسی بافت، یا سایر نمونه های بیولوژیکی، مانند ویروس ها، باکتری ها و کشت های سلولی، با چالش های متعددی همراه است.

برای مثال، بیومولکول‌های هدف درون نمونه‌ها، که بسیاری از آنها اسیدهای نوکلئیک یا پروتئین‌ها هستند، می‌توانند در غلظت‌های متفاوت از ده‌ها اتومولار وجود داشته باشند (10).-18M) به ساب نانومولار (10-9م) برد. علاوه بر این، چنین نمونه‌های بالینی شامل مولکول‌های زیستی مختلفی هستند که ممکن است با خود حسگر نانوحفره تداخل داشته باشند.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، سنجش‌های زیستی هوشمند مختلف و دستگاه‌هایی با استفاده از فناوری سنجش نانوحفره برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های بالینی توسعه یافته‌اند. برای مثال، دستگاه‌های میکروسیال جدید که با حسگرهای نانوحفره ادغام شده‌اند، می‌توانند به طور بالقوه برای آماده‌سازی نمونه یا تشخیص سطوح غلظت آنالیت استفاده شوند.

علاوه بر این، سنجش‌های بیوشیمیایی خاص مبتنی بر نانوحفره‌های بیولوژیکی می‌توانند ویژگی مولکولی را افزایش دهند و همزمان برهمکنش‌های ناخواسته را از مولکول‌های پس‌زمینه حذف کنند. این رویکرد همچنین می‌تواند از دست دادن مولکول‌های هدف در طول آماده‌سازی نمونه را کاهش دهد و در عین حال تضمین کند که نانوحفره در برابر هرگونه تخریب بالقوه ناشی از زیست مولکول‌های اطراف محافظت می‌شود.

نتیجه گیری

با بهبود طراحی نانوحفره، این فناوری‌ها به تکامل خود ادامه می‌دهند و چالش‌های علمی را برطرف می‌کنند. علاوه بر این، محققان پیش‌بینی می‌کنند که نانوحفره‌ها در طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها، از سنجش و توالی‌یابی مولکولی گرفته تا کاتالیز شیمیایی و خصوصیات بیوفیزیکی، کاربردهای جدیدی پیدا کنند.



منبع