Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Нанопора – нанометрлік өлшемдегі тесік. Мысалы, ол пор түзуші ақуыз арқылы немесе кремний немесе графен сияқты синтетикалық материалдардағы тесік арқылы жасалуы мүмкін. Нанопора электр оқшаулағыш мембранада болса, оны жеке молекула детекторы ретінде қолдануға болады. Ол жоғары электрлік кедергісі бар липидтік екі қабаттағы биологиялық ақуыз арнасы, қатты күйдегі мембранадағы тесік немесе осы екеуінің гибриді болуы мүмкін – синтетикалық мембранаға орналасқан ақуыз арнасы. Детекциялау принципі мембрана арқылы кернеу қолданылғанда нанопорадан өтетін иондық токты бақылауға негізделген. Нанопора молекулалық өлшемде болса, молекулалардың өтуі (мысалы, ДНҚ) «ашық» ток деңгейінде үзілістерге алып келеді, нәтижесінде «транслокациялық оқиға» сигналы пайда болады. Мысалы, РНҚ немесе бір тізбекті ДНҚ молекулаларының мембранаға енген альфа-гемолизин арнасы арқылы өтуі (диаметрі 1,5 нм) токтың шамамен 90% -ын тоқтатуға себеп болады (1 М KCl ерітіндісінде өлшенген). Оны өте кішкентай бөлшектерге арналған Колтер санауыш деп қарастыруға болады.
A nanopore is a pore of nanometer size. It may, for example, be created by a pore forming protein or as a hole in synthetic materials such as silicon or graphene. When a nanopore is present in an electrically insulating membrane, it can be used as a single molecule detector. It can be a biological protein channel in a high electrical resistance lipid bilayer, a pore in a solid state membrane or a hybrid of these – a protein channel set in a synthetic membrane. The detection principle is based on monitoring the ionic current passing through the nanopore as a voltage is applied across the membrane. When the nanopore is of molecular dimensions, passage of molecules (e. g., DNA) cause interruptions of the "open" current level, leading to a "translocation event" signal. The passage of RNA or single stranded DNA molecules through the membrane embedded alpha hemolysin channel (1.5 nm diameter), for example, causes a ~90% blockage of the current (measured at 1 M KCl solution). It may be considered a Coulter counter for much smaller particles.
Органикалық
Нанопоралар көбінесе пора түзетін ақуыздар арқылы қалыптасады, әдетте саңырауқұлақ пішіндес ақуыз молекуласының ортасынан өтетін қуыс өзегі болады. Пора түзетін ақуыздардың мысалдары: альфа-гемолизин, аэролизин және MspA порині. Типикалық зертханалық нанопора тәжірибелерінде бір ақуыз нанопоры липидтік екі қабатты мембранаға енгізіліп, бір каналды электрофизиологиялық өлшемдер жүргізіледі. Жаңа пора түзетін ақуыздар нанопора ретінде қолдану үшін бактериофагтардан алынып зерттеледі. Бұл поралар әдетте 2 нм-ден жоғары диаметрге ие болғандықтан таңдалады, бұл қос спиральді ДНК-ның диаметріне сәйкес келеді. Ірі нанопоралардың диаметрі 20 нм-ге дейін жете алады. Бұл поралар оттегі, глюкоза және инсулин сияқты кішкентай молекулалардың өтуіне мүмкіндік береді, бірақ иммуноглобулин сияқты үлкен иммундық жүйе молекулаларының өтуін тоқтатады. Мысалы, егеуқұйрық безінің жасушалары микрокапсулаланғанда, олар қоректік заттарды қабылдап, инсулинды нанопоралар арқылы бөліп шығарады, бұл оларды қоршаған ортадан, яғни бөтен жасушалардан толық оқшаулайды. Бұл білім инсулин өндіруге жауапты Лангерганс аралдарының қызметін тоқтатқан жасушаларын алмастыруға көмектеседі. Оларды адам терісінің астына иммунодепрессанттар қолданбастан имплантациялауға болады, бұл диабетпен ауыратын науқастарға инфекция қаупін тудырмайды.
Nanopores may be formed by pore forming proteins, typically a hollow core passing through a mushroom shaped protein molecule. Examples of pore forming proteins are alpha hemolysin, aerolysin, and MspA porin. In typical laboratory nanopore experiments, a single protein nanopore is inserted into a lipid bilayer membrane and single channel electrophysiology measurements are taken. Newer pore forming proteins have been extracted from bacteriophages for study into their use as nanopores. These pores are generally selected due to their diameter being above 2 nm, the diameter of double stranded DNA. Larger nanopores can be up to 20 nm in a diameter. These pores allow small molecules like oxygen, glucose and insulin to pass however they prevent large immune system molecules like immunoglobins from passing. As an example, rat pancreatic cells are microencapsulated, they receive nutrients and release insulin through nanopores being totally isolated from their neighboring environment i. e. foreign cells. This knowledge can help to replace nonfunctional islets of Langerhans cells in the pancreas (responsible for producing insulin), by harvested piglet cells. They can be implanted underneath the human skin without the need of immunosuppressants which put diabetic patients at a risk of infection.
Органикалық емес
Қатты күйдегі нанопоралар әдетте кремний қосылысы мембраналарында жасалады, олардың ең көп таралғаны – кремний нитриді. Кең таралған қатты күйдегі нанопоралардың екінші түрі – лазерлік көмекпен шыны капиллярларды тартып жасалған шыны нанопоралар. Қатты күйдегі нанопораларды иондық сәулемен кесу, диэлектрлік бұзылу, TEM және иондық іздерді кесу арқылы электрондық сәулемен әсер ету сияқты бірнеше техникалармен жасауға болады. Соңғы кезде графенді қатты күйдегі нанопораларды сезіктеу үшін материал ретінде пайдалану зерттелді. Қатты күйдегі нанопоралардың тағы бір мысалы – қорап пішіндес графен (BSG) наноқұрылымы. BSG наноқұрылымы – бетінде орналасқан және төртбұрышты қимасы бар параллель қуыс наноарналардың көп қабатты жүйесі. Канал қабырғаларының қалыңдығы шамамен 1 нм-ге тең. Канал жақтарының типтік ені шамамен 25 нм құрайды. Өлшемін реттеуге болатын эластомерлік нанопоралар жасалды, олар иондық токтың ағынын тосқан нанобөлшектерді дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл өлшеу әдістемесін бөлшектердің кең ауқымын өлшеу үшін қолдануға болады. Қатты күйдегі тесіктердің шектеулеріне қарағанда, олар тесік өлшемін бөлшектің өлшеміне жақын келтіру арқылы фондық токқа қатысты кедергі импульсінің мөлшерін оңтайландыруға мүмкіндік береді. Бөлшектер бір-бірлеп анықталғандықтан, нақты орташа және полидисперсиялық үлестірілімін анықтауға болады. Осы принципті пайдалана отырып, Izon Science Ltd компаниясы әлемдегі жалғыз коммерциялық реттелетін нанопоралық бөлшектерді анықтау жүйесін жасады. Қорап пішіндес графен (BSG) наноқұрылымын өзгертілмелі тесік өлшемдері бар құрылғыларды құру үшін негіз ретінде пайдалануға болады. Нанопоралық тізбектеу бактериялық нанопоралармен, сондай-ақ Oxford Nanopore Technologies жасаған Нанопоралық тізбектеу құрылғыларымен жүзеге асырылуы мүмкін.
Solid state nanopores are generally made in silicon compound membranes, one of the most common being silicon nitride. The second type of widely used solid state nanopores are glass nanopores fabricated by laser assisted pulling of glass capillary. Solid state nanopores can be manufactured with several techniques including ion beam sculpting, dielectric breakdown, electron beam exposure using TEM and Ion track etching. More recently, the use of graphene as a material for solid state nanopore sensing has been explored. Another example of solid state nanopores is a box shaped graphene (BSG) nanostructure. The BSG nanostructure is a multilayer system of parallel hollow nanochannels located along the surface and having quadrangular cross section. The thickness of the channel walls is approximately equal to 1 nm. The typical width of channel facets makes about 25 nm. Size tunable elastomeric nanopores have been fabricated, allowing accurate measurement of nanoparticles as they occlude the flow of ionic current. This measurement methodology can be used to measure a wide range of particle types. In contrast to the limitations of solid state pores, they allow for the optimization of the resistance pulse magnitude relative to the background current by matching the pore size closely to the particle size. As detection occurs on a particle by particle basis, the true average and polydispersity distribution can be determined. Using this principle, the world's only commercial tunable nanopore based particle detection system has been developed by Izon Science Ltd. The box shaped graphene (BSG) nanostructure can be used as a basis for building devices with changeable pore sizes. Nanopore sequencing can occur with bacterial nanopores as mentioned in the above section as well as with the Nanopore sequencing device(s) is created by Oxford Nanopore Technologies.
Мономерді анықтау
Негізгі тұрғыдан алғанда, ДНК немесе РНК нуклеотидтері, тесікшеге кіргенде, ток өзгерісі арқылы анықталады. Оксфорд Нанопоролық Технологиялар компаниясы нанопоролық ДНК тізбектеу үшін қолданатын әдіс бойынша, белгіленген ДНК үлгісі нанопораның ішіндегі ағын жасушасына жүктеледі. ДНК фрагменті нанопораға бағытталып, спиральдің ашылуы басталады. Ашылған спираль нанопора арқылы қозғалғанда, ток мәнінің өзгеруімен байланысты болады, бұл өзгеріс секундына мың рет өлшенеді. Нанопоралық талдау бағдарламалық құралы әрбір анықталған база үшін осы ауыспалы ток мәнін пайдаланып, нәтижедегі ДНК тізбегін анықтайды. Биологиялық нанопораларды қолданғанда, жүйеге тұрақты кернеу қолданған кезде ауыспалы токты байқауға болады. ДНК, РНК немесе пептидтер тесікшеге кіргенде, осы жүйе арқылы анықталатын мономерге тән ток өзгерісі байқалады. Иондық токтың түзетілуі (ICR) нанопоралар үшін маңызды құбылыс болып табылады. Иондық токтың түзетілуі сондай-ақ дәрі сенсоры ретінде қолданылуы мүмкін және полимерлік мембранадағы зарядтың күйін зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін.
From a fundamental standpoint, nucleotides from DNA or RNA are identified based on shifts in current as the strand is entering the pore. The approach that Oxford Nanopore Technologies uses for nanopore DNA sequencing labeled DNA sample is loaded to the flow cell within the nanopore. The DNA fragment is guided to the nanopore and commences the unfolding of the helix. As the unwound helix moves through the nanopore, it is correlated with a change in the current value which is measured in thousand times per second. Nanopore analysis software can take this alternating current value for each base detected, and obtain the resulting DNA sequence. Similarly with the usage of biological nanopores, as a constant voltage is applied to the system, the alternating current can be observed. As DNA, RNA or peptides enter the pore, shifts in the current can be observed through this system that are characteristic of the monomer being identified. Ion current rectification (ICR) is an important phenomenon for nanopore. Ion current rectification can also be used as a drug sensor and be employed to investigate charge status in the polymer membrane.
Нанопораларды тізбектеуде қолдану
Тез ДНК тізбектеуден басқа, басқа да қолданыстар ерітіндідегі бір және екі тізгілі ДНК-ны бөлуді, сондай-ақ полимерлердің ұзындығын анықтауды қамтиды. Қазіргі таңда нанопоралар полимерлік биофизиканы түсінуге, ДНК-ның бір молекулалық протеинмен өзара әрекеттесуін, әрі пептидтік тізбектемені зерттеуге үлес қосуда. Пептидтік тізбектемеге келгенде, гемолизин сияқты бактериялық нанопораларды РНК, ДНК және соңғы кездегі ақуыздарды тізбектеу үшін қолдануға болады. Мысалы, бірдей глицин-пролин-пролин қайталамасы бар пептидтер синтезделген соң, нанопоралық талдаудан өткізілгенде, нақты тізбек анықталды. Бұл, сондай-ақ, молекулааралық иондық өзара әрекеттесулерге негізделген пептидтердің стереохимиялық айырмашылықтарын анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Транслокация қисығынан белоктың кейбір конфигурациялық өзгерістерін де байқауға болады. Мұны түсіну пептидтің тізбегін оның ортасында толыққанды түсіну үшін қосымша деректер береді. Басқа бактериялық нанопора – аэролизин нанопорасы пептид ішіндегі қалдықтарды ажыратуда ұқсас мүмкіндіктер көрсетті, сонымен қатар "өте таза" деп жарияланған ақуыз үлгілеріндегі токсиндерді анықтау қабілетін көрсетті, және түрлі pH деңгейлерінде тұрақтылығын сақтайды.
Apart from rapid DNA sequencing, other applications include separation of single stranded and double stranded DNA in solution, and the determination of length of polymers. At this stage, nanopores are making contributions to the understanding of polymer biophysics, single molecule analysis of DNA protein interactions, as well as peptide sequencing. When it comes to peptide sequencing bacterial nanopores like hemolysin, can be applied to both RNA, DNA and most recently protein sequencing. Such as when applied in a study in which peptides with the same Glycine Proline Proline repeat were synthesized, and then put through nanopore analysis, an accurate sequence was able to be attained. This can also be used to identify differences in stereochemistry of peptides based on intermolecular ionic interactions. Some configuration changes of protein could also be observed from the translocation curve. Understanding this also contributes more data to understanding the sequence of the peptide fully in its environment. Usage of another bacterial derived nanopore, an aerolysin nanopore, has shown ability having shown similar ability in distinguishing residues within a peptide has also shown the ability to identify toxins present even in proclaimed "very pure" protein samples, while demonstrating stability over varying pH values.
Баламалы қолдану
1960-шы жылдардың соңында ізбелгі технологиясы ашылғалы бері, қажетті диаметрдегі сүзгі мембраналары азық-түлік қауіпсіздігі, қоршаған ортаның ластануы, биология, медицина, отын жасушалары және химия сияқты әртүрлі салаларда қолдануға мүмкіндік берді. Бұл ізбелгімен жасалған мембраналар әдетте полимер мембранада ізбелгі жасау процедурасы арқылы жасалады, онда полимер мембранасы алдымен ізбелгілерді қалыптастыру үшін ауыр иондық сәулемен сәулелендіріледі, содан кейін ылғалды жою арқылы ізбелгі бойында цилиндрлі немесе асимметриялық тесіктер пайда болады. Сүзгі мембраналарын дұрыс диаметрмен жасаудың өзіндік маңызы бар болса да, осы материалдарды сипаттау және өлшеу де ошақты мәселе. Бүгінгі күнге дейін бірнеше әдістер әзірленді, олар қолданылған физикалық механизмдарға сәйкес келесі категорияларға бөлінеді: сканерлік электрондық микроскопия (SEM), трансляциялық электрондық микроскопия (TEM), атомдық күш микроскопиясы (AFM) сияқты бейнелеу әдістері; көпіршік нүктесі және газ тасымалы сияқты сұйық тасымалы; азот адсорбциясы/десорбциясы (BEH), сынап порозиметриясы, сұйық-бу тепе-теңдігі (BJH), газ-сұйық тепе-теңдігі (пермопорометрия) және сұйық-қатты тепе-теңдігі (термопорометрия) сияқты сұйықтардың адсорбциясы; электрондық өткізгіштік; ультрадыбыстық спектроскопия; және молекулалық тасымалдау. Соңғы уақыттарда нанокезеңдердің өлшемдерін анықтау әдісі ретінде жарық өткізгіштігін пайдалану ұсынылды.
Since the discovery of track etched technology in the late 1960s, filter membranes with needed diameter have found application potential in various fields including food safety, environmental pollution, biology, medicine, fuel cell, and chemistry. These track etched membranes are typically made in polymer membrane through track etching procedure, during which the polymer membrane is first irradiated by heavy ion beam to form tracks and then cylindrical pores or asymmetric pores are created along the track after wet etching. As important as fabrication of the filter membranes with proper diameters, characterizations and measurements of these materials are of the same paramount. Until now, a few of methods have been developed, which can be classified into the following categories according to the physical mechanisms they exploited: imaging methods such as scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM); fluid transport such as bubble point and gas transport; fluid adsorptions such as nitrogen adsorption/desorption (BEH), mercury porosimetry, liquid vapor equilibrium (BJH), gas liquid equilibrium (permoporometry) and liquid solid equilibrium (thermoporometry); electronic conductance; ultrasonic spectroscopy; and molecular transport. More recently, the use of light transmission technique as a method for nanopore size measurement has been proposed.