Схематическая иллюстрация, изображающая обнаружение одиночной биомолекулы с помощью автономной нанопоровой мембраны. Автор: Макусу Цуцуи
Японские ученые из Университета Осаки создали необычный молекулярный сенсор, который способен не только фиксировать присутствие веществ, но и хранить своеобразную «память» о предыдущих взаимодействиях. Благодаря этому устройство может точнее распознавать молекулы и даже различать отдельные компоненты ДНК и аминокислоты. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Не просто датчик, а детектив с феноменальной памятью
Речь идет о твердотельной нанопоре — отверстии шириной всего несколько миллиардных долей метра. Обычно такие структуры работают как пассивные каналы: через них проходят молекулы, а прибор фиксирует изменения электрического тока. Однако новая разработка действует совсем иначе.
Внутри нанопоры непрерывно протекают химические реакции. Под действием постоянного напряжения в ней образуются и растворяются крошечные минеральные отложения. Из-за этого пора самостоятельно открывается и закрывается, генерируя серии электрических импульсов без какого-либо внешнего управления.
Повторяющееся обнаружение одиночных молекул с помощью автономного зондирования нанопор. Схематическая иллюстрация идентификации одиночных нуклеотидов по следам ионного тока (Iion). При постоянном трансмембранном смещении (Vb) химические реакции в порах самопроизвольно приводят к открытию и закрытию нанопор в слое нанопреципитата, генерируя периодические потоки ионных реагентов. Нуклеотиды ДНК или аминокислоты, введенные в камеру, электрофоретически улавливаются временно образовавшимися порами, что позволяет проводить повторяющиеся операции считывания данных с одной молекулы.Нанопора сама открывается, закрывается и учится различать молекулы
Самое интересное начинается, когда через такую «живую» пору проходят биомолекулы. Нуклеотиды ДНК и аминокислоты влияют на текущие химические процессы внутри устройства. В результате меняются размеры, длительность и временная структура электрических сигналов. Фактически каждая молекула оставляет собственный электрический «автограф». Причем этот автограф зависит не только от самой молекулы, но и от того, что происходило в нанопоре раньше. Именно поэтому ученые говорят о наличии у сенсора химической памяти.
Для расшифровки сигналов исследователи подключили алгоритмы машинного обучения. Система успешно научилась различать все четыре нуклеотида ДНК, определять их смеси и распознавать семь разных аминокислот. Причем никаких дополнительных манипуляций с нанопорой во время измерений не требовалось.
Авторы считают, что технология может пригодиться для биомедицинской диагностики, молекулярного анализа и перспективных ионтронных устройств, где информация обрабатывается не электронами, а ионами. Фактически сенсор объединяет сразу три функции: обнаружение молекул, генерацию сигнала и хранение информации о прошлых событиях.
Название * Численное моделирование блокад ионного тока, вызванных нуклеотидами в нанопорах . Подробную расшифровку диаграммы см. в первоисточнике.Каждый сигнал зависит от недавней памяти нанопоры, поэтому устройство ведет себя как запоминающий химически активный сенсор.Томодзи Каваи
Нанопоровый или нанопористый — как правильно?
Оба термина имеют право на существование. Нанопоровый сенсор использует единичную нанопору (или ограниченное их число) для поштучного анализа молекул по изменению ионного тока. Нанопористый сенсор содержит множество пор в объеме материала и применяется для адсорбции или масштабной фильтрации.
В общем виде принцип работы такого сенсора представлен ниже.
Нанопора альфа-гемолизина в мембране, напряжение отсутствуетПри прохождении большой молекулы через пору (показана красным) ток ионов уменьшаетсяОб универсальном биосенсоре в форме ДНК-оригами читайте в материале Hi-Tech Mail.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
