En ny chipbaserad plattform utvecklad av forskare vid UC Santa Cruz integrerar nanoporer och optofluidisk teknologi med en återkopplingskontrollkrets för att möjliggöra en oöverträffad nivå av kontroll över enskilda molekyler och partiklar på ett chip för analys med hög genomströmning.

I en tidning publicerad 16 augusti i Naturkommunikation , forskarna rapporterade att de använde enheten för att kontrollera leveransen av enskilda biomolekyler – inklusive ribosomer, DNA, och proteiner – in i en vätskefylld kanal på chipet. De visade också att enheten kan användas för att sortera olika typer av molekyler, möjliggör selektiv analys av målmolekyler från en blandning.

Möjligheterna hos den programmerbara nanopore-optofluidiska enheten visar vägen mot ett nytt forskningsverktyg för högkapacitetsanalys av en molekyl på ett chip, sa Holger Schmidt, Kapany-professorn i optoelektronik vid UC Santa Cruz och motsvarande författare till tidningen.

"Vi kan föra in en enda molekyl i en fluidkanal där den sedan kan analyseras med hjälp av integrerade optiska vågledare eller andra tekniker, " Sa Schmidt. "Idén är att introducera en partikel eller molekyl, håll den i kanalen för analys, kassera sedan partikeln, och enkelt och snabbt upprepa processen för att utveckla robust statistik över många experiment med en enda molekyl."

Den nya enheten bygger på tidigare arbete av Schmidts labb och hans samarbetspartner Aaron Hawkins grupp vid Brigham Young University för att utveckla optofluidisk chipteknologi som kombinerar mikrofluidik (små kanaler för hantering av flytande prover på ett chip) med integrerad optik för optisk analys av enstaka molekyler. Tillsatsen av nanoporer tillåter kontrollerad leverans av molekyler in i kanalen, samt möjligheten att analysera den elektriska signal som produceras när en molekyl passerar genom poren. Detta senaste verk leddes av första författaren Mahmudur Rahman, en doktorand i Schmidts labb vid UC Santa Cruz.

Nanopore-teknologi har framgångsrikt använts i DNA-sekvenseringstillämpningar, och Schmidt och andra forskare har undersökt nya sätt att utnyttja informationen i signalerna som produceras när molekyler eller partiklar translokerar genom en nanopor.

Med återkopplingskontrollsystemet (en mikrokontroller och halvledarrelä) i den nya enheten, realtidsanalys av strömmen förvandlar nanoporen till en "smart gate" som kan programmeras av användaren att leverera molekyler till kanalen på ett förutbestämt sätt. Grinden kan stängas så snart en enstaka molekyl (eller vilket nummer som helst som ställts in av användaren) har passerat, och öppnas igen efter en viss tid.

"Användningen av nanoporer som "smarta grindar" är ett viktigt steg mot ett analyssystem med en enda molekyl som är användarvänligt och kan arbeta med hög genomströmning, ", sade Schmidt. "Det tillåter användarprogrammerbar kontroll över antalet molekyler som levereras till en fluidkanal för vidare analys eller bearbetning, selektiv gating av olika typer av enstaka molekyler, och förmågan att leverera enstaka molekyler till ett chip med rekordhastigheter på många hundra per minut."

Använda bakteriella (70S) ribosomer, forskarna visade kontrollerad leverans av mer än 500 ribosomer per minut. Medförfattare Harry Noller, Sinsheimer professor i molekylärbiologi vid UC Santa Cruz, har gjort banbrytande forskning om ribosomernas struktur och funktion, molekylära maskiner som syntetiserar proteiner i alla levande celler, och har samarbetat med Schmidts grupp sedan 2006.

Forskarna använde också en blandning av DNA och ribosomer för att visa enhetens förmåga att selektivt aktivera gatingfunktionen för en målmolekyl (i det här fallet, DNA). Detta kan möjliggöra, till exempel, fluorescensexperiment på ett kontrollerat antal målmolekyler, medan omärkta partiklar ignoreras och kasseras. Selektiv gating kan också användas för rening eller sortering av olika partiklar nedströms från nanoporen, baserat på signalerna när partiklarna passerar genom nanoporen, sa Schmidt.

Det programmerbara systemet tillåter flexibilitet för ett brett utbud av potentiella applikationer, han sa.