De senaste framstegen inom solid-state nanopore-sensorer – enheter som är gjorda med standardverktyg från halvledarindustrin men som ändå kan erbjuda en molekylär känslighet för etikettfri proteinscreening – utökar sin påse med tricks genom bionanoteknik. Forskare vid Technische Universitaet Muenchen har förbättrat kapaciteten hos nanoporer i fast tillstånd genom att förse dem med täckplåtar gjorda av DNA. Dessa täckplåtar i nanoskala, med centrala öppningar skräddarsydda för olika "gatekeeper"-funktioner, bildas av så kallad DNA-origami – konsten att programmera DNA-strängar för att vikas till specialdesignade strukturer med specificerade kemiska egenskaper.

Resultaten publiceras i Angewandte Chemie International Edition .

Under de senaste åren, Prof. Hendrik Dietzs forskargrupp vid TUM har förfinat kontrollen över DNA-origamitekniker och demonstrerat hur strukturer gjorda på detta sätt kan möjliggöra vetenskapliga undersökningar inom olika områden. Under tiden, Dr. Ulrich Rants forskargrupp har gjort samma sak för nanoporsensorer i fast tillstånd, där den grundläggande arbetsprincipen är att mana fram biomolekyler av intresse, en i taget, genom ett hål i nanometerskala i en tunn platta av halvledarmaterial. När biomolekyler passerar genom eller dröjer sig kvar i en sådan sensor, små förändringar i elektrisk ström som flyter genom nanoporen omvandlas till information om deras identitet och fysiska egenskaper. Nu Dietz och Rant, som båda är stipendiater vid TUM Institute for Advanced Study, har börjat utforska vad dessa två tekniker kan åstadkomma tillsammans.

Det nya enhetskonceptet – rent hypotetiskt före denna serie experiment – ​​börjar med placeringen av en DNA-origami "nanoplate" över den smala änden av en koniskt avsmalnande nanopor i fast tillstånd. Att "justera" storleken på den centrala öppningen i DNA-nanoplattan bör tillåta filtrering av molekyler efter storlek. En ytterligare förfining, placera enkelsträngade DNA-receptorer i öppningen som "bete, " bör tillåta sekvensspecifik detektion av "byte"-molekyler. Tänkbara tillämpningar inkluderar biomolekylära interaktionsscreeningar och detektion av DNA-sekvenser. I princip, en sådan anordning skulle till och med kunna tjäna som basen för ett nytt DNA-sekvenseringssystem.

Steg för steg, forskarna undersökte var och en av dessa idéer. De kunde bekräfta självmontering av specialdesignade DNA-origami nanoplattor, och sedan deras placering – efter att ha blivit elektriskt styrd i position – över fasta nanoporer. De kunde demonstrera både storleksbaserad filtrering av biomolekyler och bete/bytespåvisning av specifika målmolekyler. "Vi är särskilt glada över den selektiva potentialen hos bete/bytesmetoden för avkänning av en molekyl, " Dietz säger, "eftersom många olika kemiska komponenter utöver DNA kunde fästas till lämplig plats på en DNA-nanoplatta."

Högupplösta avkänningsapplikationer som DNA-sekvensering kommer att möta ytterligare hinder, dock, som Rant förklarar:"Genom sin design, nanoporerna och deras DNA origami gatekeepers tillåter små joner att passera igenom. För vissa tänkbara tillämpningar, som blir en oönskad läckström som skulle behöva reduceras, tillsammans med omfattningen av nuvarande fluktuationer."