(Phys.org) - Små biomolekylära kammare som kallas nanoporer som kan värmas selektivt kan hjälpa läkare att diagnostisera sjukdomar mer effektivt om ny forskning av ett team vid National Institute of Standards and Technology (NIST), Wheaton College, och Virginia Commonwealth University (VCU) visar sig vara effektivt. Även om resultaten kan vara flera år från ansökan på kliniken, de kan en dag förbättra läkarnas förmåga att snabbt söka i blodomloppet efter indikatorer på sjukdomar - ett mångårigt mål för medicinsk forskning.

Teamet har varit banbrytande inom arbetet med användning av nanoporer - små kammare som efterliknar jonkanalerna i cellmembranen - för detektion och identifiering av ett brett spektrum av molekyler, inklusive DNA. Jonkanaler är de portar genom vilka cellen tillåter och driver ut material som proteiner, joner och nukleinsyror. Den typiska jonkanalen är så liten att bara en molekyl kan passa inuti åt gången.

Tidigare, teammedlemmar införde en nanopor i ett artificiellt cellmembran, som de placerade mellan två elektroder. Med denna inställning, de kunde driva enskilda molekyler in i nanoporen och fånga dem där i några millisekunder, tillräckligt för att utforska några av deras fysiska egenskaper.

"En enda molekyl skapar en markant förändring i strömmen som flyter genom poren, vilket gör att vi kan mäta molekylens massa och elektriska laddning med hög noggrannhet, "säger Joseph Reiner, en fysiker på VCU som tidigare arbetat på NIST. "Detta möjliggör diskriminering mellan olika molekyler med hög upplösning. Men för verkligt medicinskt arbete, läkare och kliniker kommer att behöva ännu mer avancerad mätförmåga. "

Ett mål med teamets arbete är att skilja mellan inte bara flera typer av molekyler, men bland de många tusentals olika proteiner och andra biomarkörer i vårt blodomlopp. Till exempel, förändringar i proteinnivåer kan indikera början av sjukdom, men med så många liknande molekyler i mixen, det är viktigt att inte misstas med varandra. Så teamet utökade sin mätförmåga genom att fästa guldnanopartiklar till konstruerade nanoporer, "som ger ett annat sätt att skilja på olika molekylära arter via temperaturkontroll, "Säger Reiner.

Teamet fäst guldnanopartiklar till nanoporen via tänder gjorda av komplementära DNA -trådar. Gulds förmåga att absorbera ljus och snabbt omvandla sin energi till värme som leder till den intilliggande lösningen gör att laget kan ändra temperaturen på nanoporen med en laser efter behag, dynamiskt förändra hur enskilda molekyler interagerar med det.

"Historiskt sett plötsliga temperaturförändringar användes för att bestämma hastigheterna för kemiska reaktioner som tidigare inte var tillgängliga för mätning, "säger NIST -biofysikern John Kasianowicz." Möjligheten att snabbt ändra temperaturer i volymer som står i proportion till storleken på enstaka molekyler kommer att möjliggöra separation av subtilt olika arter. Detta kommer inte bara att hjälpa till att upptäcka och identifiera biomarkörer, det kommer också att hjälpa till att utveckla en djupare förståelse av termodynamiska och kinetiska processer i enstaka molekyler. "

Teamet undersöker sätt att förbättra halvledarbaserade nanoporer, vilket ytterligare skulle kunna utöka denna nya mätförmåga.