Forskare vid University of Groningen har utvecklat nanoporer för att direkt mäta massan av peptider. Även om upplösningen behöver förbättras, detta principprincip visar att en billig och bärbar peptidmasspektrometer kan konstrueras med hjälp av befintlig nanoporteknologi och de patenterade porerna som utvecklades i laboratoriet vid University of Groningen Docent i kemisk biologi, Giovanni Maglia. En artikel om denna upptäckt publicerades i Naturkommunikation den 19 februari.

Masspektrometrar är ovärderliga för att studera proteiner, men de är både skrymmande och dyra, vilket begränsar deras användning till specialiserade laboratorier. "Än, nästa revolution inom biomedicinska studier kommer att vara inom proteomik, storskalig analys av proteiner som uttrycks i olika celltyper, "säger Maglia. Ty även om varje cell i din kropp bär samma DNA, produktionen av proteiner skiljer sig enormt mellan celltyper. "Och även, proteiner modifieras efter att de har producerats, till exempel genom att tillsätta sockerarter som kan påverka deras funktion. "

Massa

Nanopore -teknik kan erbjuda ett sätt att analysera enskilda molekyler. I tidigare arbeten, Maglia visade redan att biologiska nanoporer kan användas för att mäta metaboliter och för att identifiera proteiner och peptider. Dessa porer är stora proteinstrukturer, införlivad i ett membran. Molekyler som kommer in i en por eller passerar genom den orsakar en förändring av en elektrisk ström över poren. "Ett problem med att mäta massan av peptider är att de passerar för snabbt genom även den minsta biologiska poren för att få avläsning, "förklarar Maglia.

Att göra mindre porer var en utmaning. "Porerna består av ett antal monomerer, så vi ändrade initialt interaktionen mellan dessa monomerer, men det fungerade inte. "Observationen att blandning av monomerer med större mängder lipider - som utgör membranet - resulterade i en större andel mindre porer gav Maglia och hans team idén att ändra interaktionen mellan monomerer och lipider. Detta faktiskt resulterat i porer som består av ett mindre antal monomerer, vilket minskade porstorleken.

Minsta porer någonsin

Maglia kunde sedan producera trattformade porer som, i deras smala ände, mätte bara 0,84 nanometer. "Det här är de minsta biologiska porerna som någonsin producerats." Nästa utmaning var att säkerställa att peptider skulle passera genom porerna, oavsett deras kemiska sammansättning. "Porerna har en negativ laddning, som är nödvändig för deras korrekta funktion, "förklarar Maglia.

Laddningen får vatten att rinna genom poren, drar peptiderna med sig. Men negativt laddade peptider skulle avvisas av den negativa laddningen vid den tunna trattänden. Maglia modifierade laddningen genom att ändra surheten i de använda vätskorna. "Så småningom, vi lyckades hitta de rätta förhållandena genom att ställa in surheten på ett pH på exakt 3,8. Detta gör att negativt laddade peptider kan passera genom att bibehålla ett tillräckligt stort vattenflöde genom porerna. "

Upplösning

Mätningar över nanoporer av olika storlekar visar att den elektriska strömmen är linjär med volymen av peptiden som passerar igenom. Dessa peptider varierade från 4 till 22 aminosyror i längd. Skillnaden mellan aminosyrorna alanin och glutamat kan mätas i detta system, vilket innebar att upplösningen är cirka 40 Dalton (ett mått för proteinmassa). "Upplösningen av konventionella masspektrometrar är mycket bättre, men om vi kunde få systemet ungefär fyrtio gånger mer känsligt, det skulle redan vara användbart inom proteomikforskning, "säger Maglia. Det finns ett antal sätt att förbättra upplösningen, säger Maglia. "Vi kunde konstruera nanoporen med artificiella aminosyror, eller använda olika joner i våra lösningar, minska bullret genom att ändra temperaturen osv. "

Nanoporesystemet har flera unika försäljningspunkter:det mäter enstaka molekyler, själva tekniken är redan kommersiellt tillgänglig och den är relativt billig. Vidare, nanoporesystemet är bärbart. Och, genom att använda många olika porer i en enhet, Du kan samtidigt mäta olika stora peptider och till och med peptidmodifieringar. "Allt detta innebär att en mångsidig och billig masspektrometer för peptidanalys är genomförbar, "säger Maglia." Och det skulle innebära att fler laboratorier skulle ha råd att genomföra mycket viktiga proteomikstudier. "