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.

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.

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.

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.

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.

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.