新型耦合纳米孔平台为分子检测提供更高的精度

宾夕法尼亚大学物理学家MarijaDrndić表示：“作为复杂的生命系统，我们的细胞中可能存在数以万亿计的微小纳米孔洞，这些孔洞促进和调节着维持我们生命和构成我们自身的关键过程。”她开发了生物孔洞​​的合成版本，以“引导全身离子和分子的交换”。

Drndić表示，控制和监测分子通过这些孔隙流动的能力为过去20年的研究开辟了新途径，而合成纳米孔领域(在石墨烯和硅等材料上钻出微小的孔)已经为DNA测序带来了重大进展。

在《自然纳米技术》上发表的一篇论文中，Drndić和她在费城佩雷尔曼医学院和儿童医院(CHOP)的长期合作者DimitriMonos介绍了一种新型纳米孔技术，即双层纳米孔系统：这种设计由两个或多个纳米孔组成，纳米孔之间的间距仅为纳米级，从而可以更精确地检测和控制通过的DNA等分子。

“在目前的平台上，当DNA等分子被放置在纳米孔上时，它就像锅里的意大利面条：缠结在一起，难以作，更不用说穿过一个孔了，”Monos说。

他说，通常情况下，研究人员需要使用蛋白质来解开和拉直它，这种方法虽然有效，但由于降解而存在许多局限性，会导致灵敏度降低和运行寿命缩短。

“但通过这种新设计，”莫诺斯说，“我们基本上是引导分子穿过材料中两个耦合的纳米孔，从而提供可控的、更平稳的分子通道，使它们更容易检测和分析。”

研究人员将这个新平台称为GURU，以表明它是一种“引导式、可重复使用”的分子研究方法，它具有一些关键优势，最显著的是能够更好地评估分子穿过纳米孔时的长度和构象。

“因为我们知道两个纳米孔之间的精确距离，所以我们可以把它当作一种标尺，”Drndić说，“通过比较信号来确定通过的DNA的确切长度。”该系统为研究人员提供了前所未有的控制水平，使他们能够比以往更准确地测量分子特性。

分辨率的提高可以更清晰地显示分子(包括DNA、RNA和蛋白质)的形状和结构。

与传统的单孔系统不同，GURU允许在传感区停留更长时间，从而增强检测过程，而这种减慢速度的最有趣的结果之一是发现形状类似字母“W”和“T”的独特信号模式，这是博士后研究员和论文第一作者Chih-Yuan(Scottie)Lin首次观察到的特征。

“这些模式与分子与双孔系统相互作用的方式相对应，”林说。“当我们测量到看起来像&luo;W&ruo;的信号时，这是因为分子按顺序与底部和顶部纳米孔接触，反映了它如何进入下层孔，稍微离开，然后重新与上层接触。”

这种模式为研究人员提供了有关分子穿过系统的详细信息，揭示了其与每一层的相互作用。

林说，当分子足够长，可以同时堵塞两个纳米孔时，就会出现T形信号，从而清楚地显示分子的全长。“这些信号为我们提供了分子长度和位置的实时数据。”

随着团队不断完善他们的系统，他们相信它可以带来更高效、更准确、更具成本效益的测序技术，从而克服当前基于蛋白质的纳米孔系统的局限性。

Monos表示：“真正巩固我们合作的是我们共同的目标，那就是改进测序技术，特别是对于人类白细胞抗原(HLA)基因等需要长DNA读取的应用。”作为CHOP免疫遗传学实验室主任，他广泛研究HLA基因，这对于器官移植中的免疫系统兼容性至关重要。

Monos表示：“HLA基因是人类基因组中最复杂的区域之一，准确的长读测序对于了解其变异至关重要。这正是GURU等纳米​​孔技术的用武之地;它为这一具有挑战性的领域提供了更精确、更全面的测序潜力。”

通过消除对蛋白质的需求并创建纯固态系统，他们的共同努力创造了一个平台，不仅推动了纳米孔技术领域的发展，而且为临床应用开辟了新的可能性。

“我们试图用纳米孔解决的问题，比如DNA测序和分子检测，需要来自各个领域的专家，”Drndić说道，“这不仅仅是物理学或材料科学。我们需要生物学家的帮助来理解分子，化学家的帮助来研究反应，医学专家的帮助来了解现实世界的应用。”