محققان EPFL به کنترل تقریباً کامل مولکول‌های فردی برای بهبود دقت حس دست می‌یابند

الکساندرا رادنوویچ، رئیس آزمایشگاه زیست‌شناسی نانومقیاس در دانشکده مهندسی، سال‌ها برای بهبود فناوری نانوحفره کار کرده است، که شامل عبور مولکولی مانند DNA از منافذ ریز در غشاء برای اندازه‌گیری جریان یونی است. دانشمندان می توانند توالی DNA از نوکلئوتیدها را – که اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری می کند – با تجزیه و تحلیل اینکه چگونه هر یک از این نوکلئوتیدها این جریان را در حین عبور مختل می کند، تعیین کنند. این تحقیق امروز در منتشر شده است نانوتکنولوژی طبیعت.

در حال حاضر، عبور مولکول ها از یک نانوحفره و زمان تجزیه و تحلیل آنها تحت تأثیر نیروهای فیزیکی تصادفی است و حرکت سریع مولکول ها دستیابی به دقت تحلیلی بالا را چالش برانگیز می کند. Radenovic قبلاً با موچین های نوری و مایعات چسبناک به این مسائل پرداخته است. اکنون، همکاری با گئورگ فانتنر و تیمش در آزمایشگاه ابزار دقیق زیستی و نانویی در EPFL، پیشرفتی را که او به دنبال آن بود به دست آورده است – با نتایجی که می تواند بسیار فراتر از DNA باشد.

ما حساسیت نانوحفره‌ها را با دقت میکروسکوپ رسانایی یونی روبشی (SICM) ترکیب کرده‌ایم که به ما امکان می‌دهد روی مولکول‌ها و مکان‌های خاص قفل کنیم و سرعت حرکت آنها را کنترل کنیم. این کنترل عالی می تواند به پر کردن شکاف بزرگ در این زمینه کمک کند.”

الکساندرا رادنوویچ، رئیس آزمایشگاه زیست شناسی نانومقیاس، دانشکده مهندسی، EPFL

محققان این کنترل را با استفاده از یک میکروسکوپ رسانایی یونی روبشی جدید که اخیراً در آزمایشگاه ابزار دقیق زیستی و نانو ساخته شده است، به دست آوردند.

بهبود دقت سنجش با دو مرتبه بزرگی

همکاری بی‌نظیر بین آزمایشگاه‌ها توسط دانشجوی دکتری ساموئل لیتائو تسریع شد. تحقیقات او بر روی SICM متمرکز است، که در آن تغییرات در جریان یونی که از طریق نوک کاوشگر می گذرد برای تولید داده های تصویر سه بعدی با وضوح بالا استفاده می شود. لیتائو برای دکترای خود، فناوری SICM را برای تصویربرداری از ساختارهای سلولی در مقیاس نانو، با استفاده از یک نانوحفره شیشه ای به عنوان کاوشگر، توسعه داد و به کار برد. در این کار جدید، این تیم دقت یک کاوشگر SICM را برای حرکت دادن مولکول‌ها از طریق نانوحفره به‌جای انتشار تصادفی آن‌ها به کار برد.

این نوآوری که طیف‌سنجی رسانایی یون روبشی (SICS) نامیده می‌شود، انتقال مولکول را از طریق نانوحفره کند می‌کند و به هزاران قرائت متوالی از یک مولکول و حتی مکان‌های مختلف روی مولکول اجازه می‌دهد. توانایی کنترل سرعت انتقال و میانگین خوانش‌های چندگانه از یک مولکول منجر به افزایش نسبت سیگنال به نویز دو مرتبه نسبت به روش‌های معمولی شده است.

لیتائو می‌گوید: «آنچه که به‌ویژه هیجان‌انگیز است این است که این قابلیت تشخیص افزایش‌یافته با SICS ممکن است به سایر روش‌های حالت جامد و نانوحفره بیولوژیکی قابل انتقال باشد که می‌تواند کاربردهای تشخیصی و توالی‌یابی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

فانتنر منطق این رویکرد را با یک قیاس خودرویی خلاصه می‌کند: «تصور کنید در حال تماشای اتومبیل‌هایی هستید که در حال حرکت به جلو و عقب در حالی که جلوی پنجره ایستاده‌اید. خواندن شماره پلاک خودروها بسیار آسان‌تر است اگر اتومبیل‌ها به طور مکرر سرعت خود را کاهش دهند و حرکت کنند. ” او می گوید. ما همچنین باید تصمیم بگیریم که آیا می‌خواهیم 1000 مولکول مختلف را هر بار اندازه‌گیری کنیم یا همان مولکول را 1000 بار اندازه‌گیری کنیم، که نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم واقعی در میدان است.

این دقت و تطبیق پذیری به این معنی است که این رویکرد می‌تواند برای مولکول‌های فراتر از DNA، مانند بلوک‌های سازنده پروتئین به نام پپتید، که می‌تواند به پیشرفت پروتئومیک و همچنین تحقیقات زیست‌پزشکی و بالینی کمک کند، اعمال شود.

رادنوویچ می‌گوید: «یافتن راه‌حلی برای توالی‌یابی پپتیدها به دلیل پیچیدگی «صفحه‌های مجوز» آن‌ها، که از 20 کاراکتر (اسید آمینه) در مقابل چهار نوکلئوتید DNA تشکیل شده‌اند، یک چالش مهم بوده است.» برای من، هیجان انگیزترین امید این است که این کنترل جدید ممکن است مسیر آسان تری را برای توالی یابی پپتید باز کند.”