Cara Membangun Biosensor “Nanopori” yang Lebih Baik

Para peneliti telah menghabiskan lebih dari tiga dekade mengembangkan dan mempelajari biosensor miniatur yang dapat mengidentifikasi molekul tunggal. Dalam lima hingga 10 tahun, ketika perangkat semacam itu dapat menjadi makanan pokok di ruang praktik dokter, mereka akan dapat mendeteksi penanda molekuler untuk kanker dan penyakit lain serta mengevaluasi keefektifan pengobatan farmakologis untuk melawan penyakit ini.

Untuk membantu mewujudkannya dan meningkatkannya presisi dan kecepatan pengukuran ini, para ilmuwan harus menemukan cara untuk lebih memahami bagaimana molekul berinteraksi dengan sensor ini. Para peneliti dari National Institute of Standards and Technology (NIST) dan Virginia Commonwealth University (VCU) kini telah mengembangkan pendekatan baru. Mereka melaporkan temuan mereka dalam terbitan baru-baru ini Ilmu Lanjutan.

Tim membangun biosensor mereka dengan membuat versi buatan dari bahan biologis yang membentuk membran sel. Dikenal sebagai lapisan ganda lipid, ia mengandung pori kecil, berdiameter sekitar 2 nanometer (miliar meter), dikelilingi oleh cairan. Ion yang terlarut dalam fluida melewati nanopure, menghasilkan arus listrik kecil. Namun, ketika molekul yang diinginkan dihantarkan melalui membran, itu sebagian menghalangi aliran arus. Durasi dan besarnya blok ini berfungsi sebagai sidik jari, mengidentifikasi ukuran dan sifat molekul tertentu.


Untuk mengidentifikasi molekul, para ilmuwan dapat menggunakan jenis biosensor yang disebut nanopore – lubang kecil di membran yang memungkinkan cairan melewatinya. Ketika sebuah molekul yang diinginkan dimasukkan ke dalam pori, ia memblokir sebagian aliran arus, memberikan sinyal yang dapat digunakan para peneliti untuk mengidentifikasi molekul tersebut. Namun untuk mendapatkan pengukuran yang baik, molekul tersebut harus berada di dalam pori cukup lama. Peneliti NIST menggunakan sinar laser untuk mengukur energi molekul saat mereka bertransisi masuk dan keluar dari pori-pori nano. Informasi yang dihasilkan dapat membantu ilmuwan merancang pori-pori yang dioptimalkan untuk mendeteksi molekul tertentu. Kredit: Sean Kelley / Inform Studio

Untuk membuat pengukuran yang akurat untuk sejumlah besar molekul individu, molekul yang diinginkan harus berada dalam nanopori untuk interval yang tidak terlalu panjang atau terlalu pendek (waktu “Goldilocks”), mulai dari 100 juta hingga 10 seperseribu detik. Masalahnya adalah bahwa sebagian besar molekul tetap hanya dalam volume kecil dari sebuah nanopori untuk interval waktu ini jika nanopori menahannya di suatu tempat. Ini berarti bahwa lingkungan pori nano harus menyediakan penghalang tertentu – misalnya, penambahan gaya elektrostatis atau perubahan bentuk pori nano – yang membuat molekul lebih sulit untuk melarikan diri.

Energi minimum yang dibutuhkan untuk memecahkan penghalang berbeda untuk setiap jenis molekul dan sangat penting agar biosensor bekerja secara efisien dan akurat. Penghitungan kuantitas ini melibatkan pengukuran beberapa sifat yang berkaitan dengan energi molekul saat bergerak masuk dan keluar pori.

Secara kritis, tujuannya adalah untuk mengukur apakah interaksi antara molekul dan lingkungannya muncul terutama dari ikatan kimia atau dari kemampuan molekul untuk bergerak dan bergerak bebas selama proses penangkapan dan pelepasan.

Sejauh ini, pengukuran yang dapat diandalkan untuk mengekstrak komponen energi ini masih kurang karena beberapa alasan teknis. Dalam studi baru, tim yang dipimpin oleh Joseph Robertson dari NIST dan Joseph Reiner dari VCU menunjukkan kemampuan untuk mengukur energi ini dengan metode pemanasan cepat berbasis laser.

Pengukuran harus dilakukan pada suhu yang berbeda, dan sistem pemanas laser memastikan bahwa perubahan suhu ini terjadi dengan cepat dan dapat direproduksi. Hal ini memungkinkan peneliti menyelesaikan pengukuran dalam waktu kurang dari 2 menit, dibandingkan dengan 30 menit atau lebih yang mereka perlukan.

“Tanpa alat pemanas berbasis laser baru ini, pengalaman kami menunjukkan bahwa pengukuran tidak akan dibuat begitu saja; akan terlalu memakan waktu dan mahal,” kata Robertson. “Pada dasarnya, kami telah mengembangkan alat yang dapat mengubah jalur pengembangan untuk sensor nanopori untuk dengan cepat mengurangi hipotesis yang terlibat dalam penemuan sensor,” tambahnya.

Setelah pengukuran energi dilakukan, mereka dapat membantu mengungkapkan bagaimana molekul berinteraksi dengan nanopori. Ilmuwan kemudian dapat menggunakan informasi ini untuk menentukan strategi terbaik untuk mendeteksi molekul.

Misalnya, pertimbangkan molekul yang berinteraksi dengan nanopori terutama melalui interaksi kimia – pada dasarnya elektrostatis -. Untuk mendapatkan waktu penangkapan Goldilocks, para peneliti bereksperimen dengan modifikasi nanopure sehingga tarikan elektrostatisnya ke molekul target tidak terlalu kuat atau terlalu lemah.

Dengan tujuan ini, para peneliti mendemonstrasikan metode dengan dua peptida rantai pendek kecil dari senyawa yang membentuk blok protein. Salah satu peptida, angiotensin, menstabilkan tekanan darah. Peptida lain, neurotensin, membantu mengatur dopamin, neurotransmitter yang memengaruhi suasana hati dan mungkin juga berperan dalam kanker payudara. Molekul-molekul ini berinteraksi dengan pori-pori nano terutama dengan gaya elektrostatis. Para peneliti memasukkan nanopartikel berlapis emas yang dilapisi dengan bahan bermuatan yang meningkatkan interaksi elektrostatik dengan molekul.

Tim juga memeriksa molekul lain, polietilen glikol, yang kemampuannya untuk bergerak menentukan berapa lama waktu berlalu di pori-pori. Biasanya, molekul ini dapat bergerak, berputar, dan meregang dengan bebas, tanpa dikacaukan oleh lingkungannya. Untuk meningkatkan waktu tinggal molekul di nanopori, para peneliti mengubah bentuk nanopori, membuatnya lebih sulit bagi molekul untuk masuk melalui rongga dan outlet kecil.

“Kami dapat memanfaatkan perubahan ini untuk membangun biosensor nanopori yang cocok untuk mendeteksi molekul tertentu,” kata Robertson. Pada akhirnya, laboratorium penelitian dapat menggunakan biosensor semacam itu untuk mengidentifikasi molekul biologis yang menarik atau kantor dokter dapat menggunakan perangkat untuk mengidentifikasi penanda penyakit.

“Pengukuran kami memberikan skema bagaimana kami dapat memodifikasi interaksi pori, baik dengan geometri atau kimia, atau kombinasi keduanya, untuk mengadaptasi sensor nanopori untuk mendeteksi molekul tertentu, yang mengandung sejumlah kecil molekul, atau keduanya. , ”Kata Robertson.

Referensi: “Kontrol suhu berbasis laser untuk mempelajari peran entropi dan entalpi dalam interaksi polimer-nanopartik” oleh Christopher E. Angevine, Joseph WF Robertson, Amala Dass dan Joseph E. Reiner, 21 April 2021, Ilmu Lanjutan.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf5462

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.