Введение
Нанопоры – это поры нанометрового размера. Они могут быть созданы, например, белковыми порами-образователями или в виде отверстий в синтетических материалах, таких как кремний или графен. При наличии нанопоры в электрически изолирующей мембране, её можно использовать как детектор отдельных молекул. Это может быть биологический белковый канал в липидном бислое с высоким электрическим сопротивлением, поры в твердотельной мембране или гибридная конструкция – белковый канал, встроенный в синтетическую мембрану. Принцип детектирования основан на мониторинге ионного тока, проходящего через нанопору при приложении напряжения к мембране. Когда размер нанопоры сопоставим с размером молекул, прохождение молекул (например, ДНК) вызывает прерывания базового уровня тока, что приводит к сигналу "события транслокации". Прохождение РНК или одноцепочечных молекул ДНК через мембранный альфа-гемолизиновый канал (диаметром 1,5 нм), например, вызывает блокировку тока примерно на 90% (измеренную в 1 М растворе KCl). Его можно рассматривать как счетчик Коултера для частиц значительно меньшего размера.
Органические
Нанопоры могут формироваться белками, образующими поры – как правило, это полый канал, проходящий через белок молекулу в форме гриба. Примеры таких белков: альфа-гемолизин, аэролизин и MspA-порин. В типичных лабораторных экспериментах с нанопорами одиночный белковый нанопор встраивается в липидный бислойный мембран, и проводятся измерения одноканальной электрофизиологии. Новые белки, формирующие поры, были выделены из бактериофагов для изучения возможности их использования в качестве нанопоров. Эти поры обычно выбирают из-за их диаметра, превышающего 2 нм – диаметр двухцепочечной ДНК. Более крупные нанопоры могут достигать 20 нм в диаметре. Эти поры пропускают небольшие молекулы, такие как кислород, глюкоза и инсулин, но препятствуют прохождению крупных молекул иммунной системы, например, иммуноглобулинов. Например, клетки поджелудочной железы крысы микрокапсулируют, обеспечивая их поступление питательных веществ и выделение инсулина через нанопоры, при этом полностью изолируя от окружающей среды, то есть от чужеродных клеток. Эти знания могут помочь заменить нефункционирующие островки Лангерганса в поджелудочной железе (отвечающие за выработку инсулина) клетками, полученными из поросят. Их можно имплантировать под кожу человека без необходимости применения иммуносупрессоров, которые повышают риск инфекций у больных диабетом.
Неорганические
Твердотельные нанопоры обычно изготавливаются в мембранах из соединений кремния, наиболее распространенным из которых является нитрид кремния. Второй широко используемый тип твердотельных нанопор – стеклянные нанопоры, создаваемые методом вытягивания стеклянных капилляров с помощью лазера. Твердотельные нанопоры могут быть изготовлены с использованием различных методов, включая ионно-лучевую обработку, диэлектрический пробой, воздействие электронного луча с использованием просвечивающего электронного микроскопа (TEM) и травление ионным потоком. В последнее время изучается возможность использования графена в качестве материала для твердотельных наносенсоров. Другим примером твердотельных нанопор является наноструктура графена в форме коробки (BSG). Наноструктура BSG представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок каналов составляет приблизительно 1 нм. Типичная ширина граней каналов составляет около 25 нм. Были созданы эластомерные нанопоры с регулируемым размером, позволяющие точно измерять наночастицы при их перекрытии потока ионного тока. Эта методика измерений может быть использована для измерения широкого спектра типов частиц. В отличие от ограничений, присущих твердотельным порам, она позволяет оптимизировать величину импульса сопротивления относительно фонового тока путем точного подбора размера поры к размеру частицы. Поскольку обнаружение происходит по одной частице, можно определить истинное среднее значение и распределение по полидисперсности. На основе этого принципа компания Izon Science Ltd. разработала единственную в мире коммерчески доступную настраиваемую систему обнаружения частиц на основе нанопор. Наноструктура графена в форме коробки (BSG) может быть использована в качестве основы для создания устройств с изменяемыми размерами пор. Секвенирование с помощью нанопор может осуществляться с использованием бактериальных нанопор, как упоминалось в предыдущем разделе, а также с использованием устройств секвенирования нанопор, разработанных компанией Oxford Nanopore Technologies.
Идентификация мономера
С фундаментальной точки зрения, нуклеотиды ДНК или РНК идентифицируются по изменению силы тока при прохождении цепи через пору. Метод, используемый Oxford Nanopore Technologies для секвенирования ДНК с помощью нанопор, заключается в загрузке меченого образца ДНК в проточную ячейку, содержащую нанопору. Фрагмент ДНК направляется к нанопоре и начинается раскручивание спирали. По мере прохождения раскрученной спирали через нанопору, изменения силы тока, измеряемые тысячи раз в секунду, коррелируют с каждым нуклеотидом. Программное обеспечение для анализа данных нанопор использует эти изменения силы тока для определения последовательности ДНК. Аналогично, при использовании биологических нанопор, при приложении постоянного напряжения к системе наблюдается переменный ток. При прохождении ДНК, РНК или пептидов через пору, в этой системе наблюдаются изменения силы тока, характерные для идентифицируемого мономера. Ионная токовая ректификация (ICR) – важное явление для нанопор. Ионную токовую ректификацию также можно использовать в качестве датчика лекарственных средств и для изучения заряда в полимерной мембране.
Применение для секвенирования нанопор
Помимо быстрого секвенирования ДНК, другие применения включают разделение одноцепочечной и двухцепочечной ДНК в растворе, а также определение длины полимеров. На данном этапе нанопоры вносят вклад в понимание биофизики полимеров, анализ взаимодействий ДНК-белков на уровне отдельных молекул и секвенирование пептидов. В отношении секвенирования пептидов бактериальные нанопоры, такие как гемолизин, могут применяться к РНК, ДНК и, в последнее время, к секвенированию белков. Например, в исследовании, где были синтезированы пептиды с повторяющейся последовательностью глицин-пролин-пролин, а затем проанализированы с помощью нанопор, удалось получить точную последовательность. Это также может быть использовано для выявления различий в стереохимии пептидов на основе межмолекулярных ионных взаимодействий. Некоторые изменения конформации белка также можно наблюдать по кривой транслокации. Понимание этого также предоставляет дополнительные данные для полного понимания последовательности пептида в его естественной среде. Использование другого бактериального нанопора, аэролизина, продемонстрировало схожую способность к различению аминокислотных остатков в пептиде, а также способность идентифицировать токсины, присутствующие даже в образцах белка, заявленных как "очень чистые", при этом сохраняя стабильность при различных значениях pH.
Альтернативные приложения
С момента открытия технологии травления треками в конце 1960-х годов, фильтрующие мембраны с заданным диаметром нашли потенциал применения в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти мембраны с травлеными треками обычно изготавливаются из полимерных мембран посредством процедуры травления треков, в ходе которой полимерная мембрана сначала облучается тяжелым ионным пучком для создания треков, а затем после влажного травления вдоль треков формируются цилиндрические или асимметричные поры. Наряду с изготовлением фильтрующих мембран с подходящим диаметром, их характеризация и измерение имеют не меньшее значение. На сегодняшний день разработано несколько методов, которые можно классифицировать по используемым физическим механизмам следующим образом: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), атомно-силовая микроскопия (AFM); транспорт жидкости, например, определение точки прорыва пузырьков и газопроницаемость; адсорбция жидкости, такая как адсорбция/десорбция азота (BET), ртутная порозиметрия, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое тело (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; и молекулярный транспорт. В последнее время было предложено использовать технику измерения пропускания света в качестве метода определения размера нанопор.