Un nanoporo es un poro de tamaño nanométrico . Puede, por ejemplo, ser creado por una proteína formadora de poros o como un agujero en materiales sintéticos como el silicio o el grafeno.
Cuando un nanoporo está presente en una membrana eléctricamente aislante , se puede utilizar como detector de una sola molécula . Puede ser un canal de proteínas biológicas en una bicapa lipídica de alta resistencia eléctrica , un poro en una membrana de estado sólido o un híbrido de estos: un canal de proteínas situado en una membrana sintética. El principio de detección se basa en monitorear la corriente iónica que pasa a través del nanoporo cuando se aplica voltaje a través de la membrana. Cuando el nanoporo es de dimensiones moleculares, el paso de moléculas (p. Ej., ADN) provocan interrupciones del nivel de corriente "abierto", lo que conduce a una señal de "evento de translocación". El paso de ARN o moléculas de ADN monocatenario a través del canal de alfa-hemolisina incrustado en la membrana (1,5 nm de diámetro), por ejemplo, provoca un bloqueo de ~ 90% de la corriente (medida en una solución de KCl 1 M). [1]
Puede considerarse un contador Coulter para partículas mucho más pequeñas.
Tipos de nanoporos
Orgánico
- Los nanoporos pueden estar formados por proteínas formadoras de poros, [2] típicamente un núcleo hueco que pasa a través de una molécula de proteína en forma de hongo. Ejemplos de proteínas formadoras de poros son alfa hemolisina , aerolisina y porina MspA . En los experimentos típicos de nanoporos de laboratorio, se inserta un único nanoporo de proteína en una membrana de bicapa lipídica y se toman medidas electrofisiológicas de un solo canal . Se han extraído proteínas formadoras de poros más nuevas de bacteriófagos para estudiar su uso como nanoporos. Estos poros se seleccionan generalmente debido a que su diámetro es superior a 2 nm, el diámetro del ADN bicatenario. [3]
- Los nanoporos más grandes pueden tener hasta 20 nm de diámetro. Estos poros permiten el paso de pequeñas moléculas como el oxígeno , la glucosa y la insulina; sin embargo, evitan el paso de grandes moléculas del sistema inmunológico como las inmunoglobinas . Como ejemplo, las células pancreáticas de rata están microencapsuladas, reciben nutrientes y liberan insulina a través de nanoporos estando totalmente aisladas de su entorno vecino, es decir, células extrañas. Este conocimiento puede ayudar a reemplazar los islotes no funcionales de células de Langerhans en el páncreas (responsables de la producción de insulina), por células de lechones recolectadas. Pueden implantarse debajo de la piel humana sin la necesidad de inmunosupresores que ponen a los pacientes diabéticos en riesgo de infección.
Inorgánico
- Los nanoporos de estado sólido generalmente se fabrican en membranas de compuestos de silicio , siendo uno de los más comunes el nitruro de silicio . El segundo tipo de nanoporos de estado sólido ampliamente utilizado son los nanoporos de vidrio fabricados mediante extracción asistida por láser de capilares de vidrio. [4] Los nanoporos de estado sólido se pueden fabricar con varias técnicas, incluida la escultura con haz de iones [5] y los haces de electrones. [6]
- Más recientemente, se ha explorado el uso de grafeno [7] como material para la detección de nanoporos en estado sólido. Otro ejemplo de nanoporos de estado sólido es una nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) . [8] La nanoestructura BSG es un sistema multicapa de nanocanales huecos paralelos ubicados a lo largo de la superficie y que tienen una sección transversal cuadrangular. El espesor de las paredes del canal es aproximadamente igual a 1 nm. La anchura típica de las facetas del canal compone aproximadamente 25 nm.
- Se han fabricado nanoporos elastoméricos ajustables por tamaño, lo que permite una medición precisa de las nanopartículas a medida que ocluyen el flujo de corriente iónica. Esta metodología de medición se puede utilizar para medir una amplia gama de tipos de partículas. En contraste con las limitaciones de los poros en estado sólido, permiten la optimización de la magnitud del pulso de resistencia en relación con la corriente de fondo al hacer coincidir el tamaño de los poros con el tamaño de las partículas. Dado que la detección se produce partícula por partícula, se puede determinar el promedio real y la distribución de polidispersidad. [9] [10] Utilizando este principio, Izon Science Ltd ha desarrollado el único sistema comercial de detección de partículas basado en nanoporos sintonizables del mundo . La nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) se puede utilizar como base para la construcción de dispositivos con tamaños de poro cambiantes. [8]
Secuenciación basada en nanoporos
La observación de que una hebra pasajera de ADN que contiene diferentes bases se corresponde con cambios en los valores actuales ha llevado al desarrollo de la secuenciación de nanoporos [11] La secuenciación de nanoporos puede ocurrir con nanoporos bacterianos como se menciona en la sección anterior, así como con el dispositivo de secuenciación de nanoporos ( s) creado por Oxford Nanopore Technologies .
Identificación de monómeros
Desde un punto de vista fundamental, los nucleótidos de ADN o ARN se identifican en función de los cambios en la corriente a medida que la hebra ingresa al poro. El enfoque que utiliza Oxford Nanopore Technologies para la secuenciación de ADN nanoporo muestra de ADN etiquetado se carga en la celda de flujo dentro del nanoporo. El fragmento de ADN se guía al nanoporo y comienza el despliegue de la hélice. A medida que la hélice desenrollada se mueve a través del nanoporo, se correlaciona con un cambio en el valor actual que se mide en miles de veces por segundo. El software de análisis de nanoporos puede tomar este valor de corriente alterna para cada base detectada y obtener la secuencia de ADN resultante. [12] De manera similar con el uso de nanoporos biológicos, cuando se aplica un voltaje constante al sistema, se puede observar la corriente alterna. A medida que el ADN, el ARN o los péptidos entran en el poro, se pueden observar cambios en la corriente a través de este sistema que son característicos del monómero que se identifica. [13] [14]
La rectificación de corriente de iones (ICR) es un fenómeno importante para nanopore. La rectificación de la corriente de iones también se puede utilizar como sensor de fármacos [15] [16] y se puede emplear para investigar el estado de carga en la membrana de polímero. [17]
Aplicaciones a la secuenciación de nanoporos
Además de la secuenciación rápida de ADN , otras aplicaciones incluyen la separación de ADN monocatenario y bicatenario en solución y la determinación de la longitud de polímeros . En esta etapa, los nanoporos están contribuyendo a la comprensión de la biofísica de polímeros, el análisis de moléculas individuales de las interacciones ADN-proteína, así como la secuenciación de péptidos. Cuando se trata de secuenciación de péptidos, los nanoporos bacterianos como la hemolisina se pueden aplicar tanto al ARN como al ADN y, más recientemente, a la secuenciación de proteínas. Por ejemplo, cuando se aplicó en un estudio en el que se sintetizaron péptidos con la misma repetición de glicina-prolina-prolina y luego se sometieron a análisis de nanoporos, se pudo lograr una secuencia precisa. [18] Esto también se puede utilizar para identificar diferencias en la estereoquímica de péptidos basadas en interacciones iónicas intermoleculares. Comprender esto también aporta más datos para comprender la secuencia del péptido por completo en su entorno. [19] El uso de otro nanoporo derivado de bacterias, un nanoporo de aerolisina , ha demostrado tener una capacidad similar para distinguir residuos dentro de un péptido y también ha demostrado la capacidad de identificar toxinas presentes incluso en muestras de proteínas proclamadas como "muy puras", al tiempo que demuestra estabilidad sobre valores de pH variables. [13] Una limitación para el uso de nanoporos bacterianos sería que los péptidos tan cortos como seis residuos se detectaran con precisión, pero con péptidos más grandes con carga negativa daban como resultado más señal de fondo que no es representativa de la molécula. [20]
Aplicaciones alternativas
Desde el descubrimiento de la tecnología de grabado en pistas a fines de la década de 1960, las membranas de filtro con el diámetro necesario han encontrado un potencial de aplicación en varios campos, incluida la seguridad alimentaria, la contaminación ambiental, la biología, la medicina, la pila de combustible y la química. Estas membranas grabadas en pistas se fabrican típicamente en una membrana de polímero mediante un procedimiento de grabado en pistas, durante el cual la membrana polimérica se irradia primero con un haz de iones pesados para formar pistas y luego se crean poros cilíndricos o asimétricos a lo largo de la pista después del grabado en húmedo.
Tan importante como la fabricación de las membranas de filtro con los diámetros adecuados, las caracterizaciones y medidas de estos materiales son de la misma importancia. Hasta ahora, se han desarrollado algunos métodos, que pueden clasificarse en las siguientes categorías según los mecanismos físicos que explotaron: métodos de imagen como microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía de fuerza atómica (AFM). ); transporte de fluidos como el punto de burbuja y transporte de gas; adsorciones de fluidos tales como adsorción / desorción de nitrógeno (BEH), porosimetría de mercurio, equilibrio líquido-vapor (BJH), equilibrio gas-líquido (permoporometría) y equilibrio líquido-sólido (termoporometría); conductancia electrónica; espectroscopía ultrasónica; y transporte molecular.
Más recientemente, se ha propuesto el uso de la técnica de transmisión de luz [21] como método para medir el tamaño de los nanoporos.
Ver también
- Materiales nanoporosos
- Secuenciación de nanoporos
- Nanofluidos
- Hemolisina
- Nanómetro
- Toxina formadora de poros
- Bloqueo de coulomb
Referencias
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enlaces externos
- Simulaciones por computadora de dispositivos nanoporos
- Sensores cónicos de nanoporos
- Canales biomiméticos y dispositivos iónicos