Aleksandra Radenovic, kierownik Laboratorium Biologii Nano w Szkole Inżynierskiej, od lat pracuje nad ulepszeniem technologii nanoporów, która polega na przepuszczaniu cząsteczki takiej jak DNA przez maleńki por w membranie w celu pomiaru prądu jonowego. Naukowcy mogą określić sekwencję nukleotydów DNA – która koduje informację genetyczną – analizując, w jaki sposób każdy z nich zakłóca przepływający prąd. Badanie zostało opublikowane W Nanotechnologia natury.

Obecnie na przechodzenie cząsteczek przez nanopor i czas ich analizy wpływają przypadkowe siły fizyczne, [while] szybki ruch cząsteczek utrudnia osiągnięcie wysokiej dokładności analitycznej. Radenovic wcześniej rozwiązał te problemy za pomocą pęsety optycznej i lepkich płynów. Teraz współpraca z Georgiem Fantnerem i jego zespołem w Laboratorium Bio- i Nano-Instrumentacji w EPFL przyniosła postęp, którego szukała – z wynikami, które mogą wykraczać daleko poza DNA.

„Połączyliśmy czułość nanoporów z precyzją skaningowej mikroskopii przewodności jonowej (SICM), co pozwala nam namierzyć określone cząsteczki i lokalizacje oraz kontrolować szybkość ich ruchu. Ta znakomita kontrola może pomóc wypełnić dużą lukę w tej dziedzinie”, mówi Radenovic. Naukowcy osiągnęli tę kontrolę za pomocą najnowocześniejszego skaningowego mikroskopu przewodnictwa jonowego, opracowanego niedawno w Lab for Bio- and Nano-Instrumentation.

Poprawa precyzji wykrywania o dwa rzędy wielkości

Katalizatorem nieoczekiwanej współpracy między laboratoriami był doktorant Samuel Leitão. Jego badania koncentrują się na SICM, w której zmiany prądu jonowego przepływającego przez końcówkę sondy są wykorzystywane do tworzenia danych obrazu 3D o wysokiej rozdzielczości. W ramach swojej pracy doktorskiej Leitão opracował i zastosował technologię SICM do obrazowania nanoskalowych struktur komórkowych, wykorzystując szklany nanopor jako sondę. W tej nowej pracy zespół zastosował precyzję sondy SICM do przemieszczania cząsteczek przez nanopory, zamiast pozwalać im na przypadkową dyfuzję.

Ta innowacja, nazwana skaningową spektroskopią przewodnictwa jonowego (SICS), spowalnia przejście cząsteczki przez nanopor, umożliwiając wykonanie tysięcy kolejnych odczytów tej samej cząsteczki, a nawet różnych miejsc na cząsteczce. Możliwość kontrolowania prędkości tranzytu i uśredniania wielokrotnych odczytów tej samej cząsteczki zaowocowała wzrostem stosunku sygnału do szumu o dwa rzędy wielkości w porównaniu z konwencjonalnymi metodami.

„Szczególnie ekscytujące jest to, że te zwiększone możliwości wykrywania za pomocą SICS można przenieść do innych metod w stanie stałym i biologicznych nanoporów, co może znacznie ulepszyć zastosowania diagnostyczne i sekwencjonowania”, mówi Leitão.

Fantner podsumowuje logikę tego podejścia analogią motoryzacyjną: „Wyobraź sobie, że stoisz przed oknem, obserwując samochody jadące tam iz powrotem. O wiele łatwiej jest odczytać ich numery rejestracyjne, jeśli samochody zwalniają i przejeżdżają kilka razy” — mówi. „Możemy również zdecydować, czy chcemy mierzyć 1000 różnych cząsteczek za każdym razem, czy tę samą cząsteczkę 1000 razy, co stanowi prawdziwą zmianę paradygmatu w tej dziedzinie”.

Ta precyzja i wszechstronność oznaczają, że podejście to można zastosować do cząsteczek innych niż DNA, takich jak bloki budulcowe białek zwane peptydami, które mogą pomóc w rozwoju proteomiki, a także badań biomedycznych i klinicznych.

„Znalezienie rozwiązania dla sekwencjonowania peptydów było poważnym wyzwaniem ze względu na złożoność ich„ tablic rejestracyjnych ”, które składają się z 20 znaków (aminokwasów), w przeciwieństwie do czterech nukleotydów DNA”, mówi Radenovic. najbardziej ekscytującą nadzieją jest to, że ta nowa kontrola może otworzyć łatwiejszą drogę do sekwencjonowania peptydów”.

– Niniejsza informacja prasowa została pierwotnie opublikowana na stronie internetowej Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne