In lebenden Organismen verfügen Zellen über eine sehr hohe Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten und zu kommunizieren, indem sie Moleküle oder Ionen durch winzige Kanäle bewegen, die die Zellmembran durchziehen. Marco Rolandis Labor, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der UC Santa Cruz, und Mitarbeiter am MIT haben ein Gerät entwickelt, das dieses biologische Konzept nachahmt, um Krankheiten zu erkennen.
Mit ihrem bioprotonischen System, einem Gerät, das elektronische Komponenten mit biologischen Komponenten verbindet und elektrische Ströme von Protonen nutzt, können die Forscher unter anderem Biomoleküle nachweisen, die auf das Vorhandensein menschlicher Krankheiten hinweisen. Details zu diesem Gerät finden Sie hier in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Zellen neigen dazu, miteinander verbunden zu sein – sie kommunizieren miteinander oder mit der äußeren Umgebung über diese Intermembrankanäle“, sagte Rolandi. „Wir hatten uns gemeinsam mit unseren Mitarbeitern am MIT zum Ziel gesetzt, einen künstlichen Ionenkanal so zu schaffen, dass wir die Eigenschaften des Ionenkanals und seine Funktionalität nach unseren Wünschen anpassen konnten.“
Mit einer Technik namens DNA-Origami können die Forscher am MIT einen DNA-Strang, der auf natürliche Weise die Form einer Doppelhelix annimmt, biotechnologisch in jede gewünschte Form bringen. Für dieses Projekt haben sie einen winzigen Tunnel geschaffen, der speziell für den optimalen Durchgang eines Protonenstroms (H-plus) programmiert ist. Dieser winzige Kanal ist als Nanopore bekannt, ein Konzept, das ursprünglich an der UCSC entwickelt wurde.
Die DNA-Nanopore befindet sich im bioprotonischen System von Rolandi, das die wässrige, ionenleitende Welt der zellulären Umgebung nachahmen soll. Eine Doppelschicht aus Lipiden, ähnlich einer Zellmembran, trennt Wasser, das die Umgebung außerhalb einer Zelle darstellt, von einer Elektrode, die das Innere einer Zelle darstellt, und die eingebettete Nanopore fungiert als Kanal zwischen den beiden Seiten.
Die Elektrode sendet einen Protonenstrom durch den Nanoporenkanal zur anderen Seite der Nanopore, wo sich eine Molekülbindungsstelle befindet, die individuell angepasst werden kann, sodass sich bestimmte Biomoleküle von Interesse daran anlagern. Wenn eines dieser Moleküle im Wasser vorhanden ist, haftet es an einem Ende der Nanopore und blockiert den Protonenstrom durch den Kanal.
Das Gerät übersetzt das Protonensignal in ein elektronisches Signal, das die Forscher lesen können. Wenn das Gerät keine durch den Kanal fließenden Protonen erkennt, wissen die Forscher, dass ein Biomolekül vorhanden ist.
Das Gerät verfügt außerdem über zwei Griffe aus Cholesterin, die sich über die Lipiddoppelschicht positionieren und die Leitfähigkeit von Protonen durch den Nanoporenkanal verbessern.
„Die Einzigartigkeit des Ansatzes liegt in der Kombination dieser protonenleitenden Geräte mit unterstützenden Lipiddoppelschichten, und ich glaube, dass wir mit diesem Dock-Design für die DNA-Nanoporen die einzigen Gruppen sind, die daran arbeiten“, sagte Rolandi. „Das Neue ist sowohl die Integration des Geräts als auch die Fähigkeit, mithilfe dieser DNA-Nanoporen zu erfassen.“
In der Arbeit zeigen die Forscher, dass sie das bioprotonische System zum Nachweis des Biomoleküls B-Typ natriuretisches Peptid, einem Indikator für Herzerkrankungen, nutzen können. Dies zeigt das Potenzial des Geräts für den Einsatz zum Nachweis von Biomolekülen in einer In-vitro- oder klinischen Umgebung.
Die Forscher gehen davon aus, dass das Gerät in Zukunft mehrere Nanoporen enthalten könnte, von denen jede so programmiert ist, dass sie eine andere Art von Biomolekülen erkennt.
„Das ist definitiv ein Teil der Attraktivität des Systems – in naher Zukunft könnten wir es multiplexen, sodass wir über eine vollständige Suite von Biosensoren verfügen könnten“, sagte Rolandi.
Die UCSC-Forscher Le (Dante) Luo, Yunjeong Park und Jesse Vicente haben zu diesem Artikel beigetragen. An diesem Projekt beteiligten sich auch Forscher der University of Washington und der TOBB University of Economics and Technology in Ankara, Türkei.
Mehr Informationen:
Le Luo et al., DNA-Nanoporen als künstliche Membrankanäle für Bioprotonik, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40870-1