I levande organismer har celler en mycket hög kapacitet att bearbeta och kommunicera information genom att flytta molekyler eller joner genom små kanaler som spänner över cellmembranet. UC Santa Cruz Professor i el- och datorteknik Marco Rolandis labb och medarbetare vid MIT har skapat en enhet som efterliknar detta biologiska koncept för att upptäcka sjukdomar.

Med hjälp av deras bioprotoniska system, en enhet som integrerar elektroniska komponenter med biologiska komponenter och använder elektriska strömmar av protoner, kan forskarna upptäcka biomolekyler som indikerar närvaron av mänsklig sjukdom, bland andra applikationer. Detaljer om denna enhet publiceras i tidskriften Nature Communications .

"Celler tenderar att vara sammankopplade - de pratar med varandra, eller så pratar de med den yttre miljön, med hjälp av dessa intermembrankanaler," sa Rolandi. "Vad vi ville göra med våra medarbetare på MIT var att skapa en artificiell jonkanal på ett sätt så att vi kunde justera egenskaperna hos jonkanalen och dess funktion som vi önskar."

Med hjälp av en teknik som kallas DNA-origami kan forskarna vid MIT biokonstruera en DNA-sträng, som naturligt formar formen av en dubbelspiral, till vilken form de vill. För detta projekt skapade de en liten tunnel speciellt programmerad för en ström av protoner (H-plus) för att optimalt färdas genom. Denna lilla kanal är känd som en nanopore, ett koncept som ursprungligen var banbrytande vid UCSC.

DNA-nanoporen sitter i Rolandis bioprotoniska system, som är designat för att efterlikna den vattniga, jonledande världen i den cellulära miljön. Ett dubbelt lager av lipider som liknar ett cellmembran separerar vatten som representerar miljön utanför en cell från en elektrod som representerar insidan av en cell, och den inbäddade nanoporen fungerar som en kanal mellan de två sidorna.

Elektroden skickar en ström av protoner genom nanoporkanalen till andra sidan av nanoporen, där det finns en molekylbindningsplats som kan anpassas så att specifika biomolekyler av intresse fäster vid den. Om en av dessa molekyler finns i vattnet kommer den att fästa vid ena änden av nanoporen och blockera strömmen av protoner genom kanalen.

Enheten översätter protonsignalen till en elektronisk signal som forskarna kan läsa. När enheten inte upptäcker protoner som strömmar genom kanalen vet forskarna att det finns en biomolekyl.

Enheten inkluderar också två handtag gjorda av kolesterol som placerar sig över lipiddubbelskiktet och förbättrar protonernas konduktivitet genom nanoporekanalen.

"Det unika med tillvägagångssättet är kombinationen av dessa protonledande enheter med stödjande lipiddubbelskikt, och jag tror att vi är de enda grupperna som arbetar med dem, med denna dockdesign för DNA-nanoporerna," sa Rolandi. "Nyheten är både integrationen av enheten och förmågan att känna av att använda dessa DNA-nanoporer."

I uppsatsen visar forskarna att de kan använda det bioprotoniska systemet för att detektera biomolekylen B-typ natriuretisk peptid, en indikator på hjärtsjukdom. Detta visar enhetens potential att användas för biomolekyldetektering i en in vitro eller klinisk miljö.

I framtiden föreställer sig forskarna att enheten kan innehålla flera nanoporer, var och en programmerad att upptäcka en annan typ av biomolekyl.

"Det är definitivt en del av systemets attraktionskraft – inom en snar framtid kan vi multiplexera, så att vi kan ha en hel uppsättning biosensorer," sa Rolandi.

UCSC-forskare Le (Dante) Luo, Yunjeong Park och Jesse Vicente bidrog till detta dokument. Forskare från University of Washington och TOBB University of Economics and Technology i Ankara, Turkiet deltog också i detta projekt.

Mer information: Le Luo et al, DNA-nanoporer som artificiella membrankanaler för bioprotonik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of California - Santa Cruz