Нанопора вместо лупы: новый взгляд на природу болезни Паркинсона и БАС

Принцип работы нанопорового сенсора. Он представляет собой реакционную камеру, разделенную на две части мембраной, содержащей отверстие нанометрового размера — нанопору. К частям камеры прикладывают напряжение, вследствие чего исследуемые молекулы проходят через пору по направлению действия электрического поля. При прохождении молекулы нуклеиновой кислоты или белка через пору отдельные ее компоненты влияют на тот или иной измеряемый параметр системы, что позволяет определить последовательность компонентов.

Исследователи показали новый тип самособирающихся нанопор, способных распознавать белки, связанные с болезнью Паркинсона и боковым амиотрофическим склерозом (БАС). Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Главная особенность разработки в том, что нанопора не является жестким микроскопическим «дырявым ситом». Она способна менять диаметр как диафрагма фотоаппарата. За счет этого один и тот же базовый сенсор можно использовать для анализа разных молекул.

Чтобы придать конструкции такую гибкость, ученые встроили в специально разработанный пептид одну необычную аминокислоту. В результате молекулярная конструкция сохраняет основу, но может переходить между меньшим и большим диаметром.

Над проектом работала международная команда во главе с Кожинжампарой Махендраном из Центра биотехнологий имени Раджива Ганди в Индии. Ученые из Бременского университета, в частности профессор Ульрих Кляйнекафер и постдок Кальянашис Джана, отвечали за компьютерное моделирование. Оно позволило на молекулярном уровне рассмотреть, как нанопоры взаимодействуют с исследуемыми веществами.

Белковый «комок» теперь можно застать в момент рождения

Большие нанопоры показали себя особенно хорошо при работе с альфа-синуклеином — белком, патологическое накопление которого является одним из характерных признаков болезни Паркинсона.

Сенсор смог обнаруживать его в наномолярных концентрациях — то есть буквально следовые количества. Более того, нанопора различала вызывающие заболевание варианты белка даже тогда, когда они находились в неоднородной смеси. Меньшие поры позволили обнаруживать пептиды, связанные с БАС и гибелью клеток.

Самое любопытное произошло дальше. Технология дала исследователям возможность наблюдать в реальном времени и на уровне отдельных частиц, как относительно безобидные белковые молекулы меняют структуру, начинают слипаться и постепенно формируют токсичные агрегаты, способные повреждать клетки мозга.

Тут важна не только красивая картинка под микроскопом. Если ученые смогут определить промежуточные состояния белка, на которых начинается его превращение в токсичный агрегат, именно эти состояния могут стать мишенью для будущих лекарств.

Обычные методы, включая иммуноферментный анализ и масс-спектрометрию, требуют больших объемов образца и имеют непреодолимые ограничения при обнаружении очень малых концентраций и различении состояний агрегации белков в реальном времени. Нанопоровая технология, напротив, работает с минимальным количеством материала и дает разрешение на уровне отдельных молекул.

При этом до появления нового диагностического теста или лекарства на основе гибких нанопор еще далеко. Авторы исследования подчеркивают, что сейчас речь идет прежде всего о фундаментальной науке. Технологии предстоит пройти еще несколько этапов, прежде чем она сможет превратиться в клинический инструмент для пациентов с болезнью Паркинсона или БАС.

Нанопоры уже учатся «запоминать» молекулы

Разработка хорошо вписывается в более широкое направление исследований нанопоровых сенсоров. Например, Hi-Tech Mail сообщил о нанопоре, которая способна учитывать собственную «историю» взаимодействий с молекулами. В том эксперименте изменение электрических сигналов позволяло различать четыре нуклеотида ДНК и семь разных аминокислот.

Другой материал рассказывает о синтезе энзимов, способных самостоятельно искать и разрушать патологические белковые скопления, вызывающие нейродегенерацию.