Naučnici UC Riverside razvili su alat zasnovan na nanoporama koji bi mogao da pomogne u dijagnostikovanju bolesti mnogo brže i sa većom preciznošću nego što to trenutni testovi dozvoljavaju, hvatanjem signala sa pojedinačnih molekula.
Pošto su molekuli koje naučnici žele da otkriju — uglavnom određeni molekuli DNK ili proteina — široki otprilike milijardu metra, električni signali koje oni proizvode su veoma mali i zahtevaju specijalizovane instrumente za detekciju.
„Trenutno su vam potrebni milioni molekula da biste otkrili bolesti. Pokazujemo da je moguće dobiti korisne podatke iz samo jednog molekula“, rekao je Kevin Fridman, docent bioinženjeringa na UCR-u i glavni autor rada o alatu pojavljuje se u Nature Nanotechnologi. „Ovaj nivo osetljivosti mogao bi da napravi stvarnu razliku u dijagnostici bolesti.“
Fridmanova laboratorija ima za cilj da napravi elektronske detektore koji se ponašaju kao neuroni u mozgu i mogu da zadrže sećanja: tačnije, sećanja o tome koji su molekuli prethodno prošli kroz senzor. Da bi to uradili, naučnici UCR-a razvili su novi model kola koji uzima u obzir male promene u ponašanju senzora.
U jezgru njihovog kola je nanopora — mali otvor kroz koji molekuli prolaze jedan po jedan. Biološki uzorci se ubacuju u kolo zajedno sa solima, koje se disociraju u jone.
Ako proteini ili molekuli DNK iz uzorka prolaze kroz pore, to smanjuje protok jona koji mogu da prođu.
„Naš detektor meri smanjenje protoka uzrokovano proteinom ili delom DNK koji prolazi i blokira prolaz jona“, rekao je Fridman.
Da bi analizirao električne signale koje generišu joni, sugeriše Fridman, sistem treba da uzme u obzir verovatnoću da neki molekuli neće biti otkriveni dok prolaze kroz nanopore. Ono što razlikuje ovo otkriće je da nanopora nije samo senzor, već i sama deluje kao filter, smanjujući pozadinsku buku od drugih molekula u uzorku koji bi mogao da prikrije kritične signale.
Tradicionalni senzori zahtevaju spoljne filtere za uklanjanje neželjenih signala, a ovi filteri mogu slučajno ukloniti vredne informacije iz uzoraka. Fridmanov pristup obezbeđuje očuvanje signala svakog molekula, povećavajući preciznost za dijagnostičke aplikacije.
Fridman predviđa da se uređaj koristi za razvoj malog, prenosivog dijagnostičkog kompleta – ne većeg od USB diska – koji bi mogao da otkrije infekcije u najranijim fazama. Iako današnji testovi možda neće registrovati infekcije nekoliko dana nakon izlaganja, nanopore senzori mogu otkriti infekcije u roku od 24 do 48 sati. Ova sposobnost bi pružila značajnu prednost za bolesti koje se brzo šire, omogućavajući raniju intervenciju i lečenje.
„Nanopore nude način da se infekcije ranije uhvati – pre nego što se pojave simptomi i pre nego što se bolest proširi“, rekao je Fridman. „Ova vrsta alata bi mogla učiniti ranu dijagnozu mnogo praktičnijom i za virusne infekcije i za hronična stanja.“
Pored dijagnostike, uređaj obećava unapređenje istraživanja proteina. Proteini obavljaju bitnu ulogu u ćelijama, pa čak i male promene u njihovoj strukturi mogu uticati na zdravlje. Sadašnji dijagnostički alati se bore da naprave razliku između zdravih proteina i proteina koji izazivaju bolesti zbog njihovih sličnosti. Nanopore uređaj, međutim, može meriti suptilne razlike između pojedinačnih proteina, što bi moglo pomoći lekarima da osmisle personalizovanije tretmane.
Istraživanje takođe dovodi naučnike bliže postizanju sekvenciranja proteina sa jednim molekulom, što je dugo traženi cilj u biologiji. Dok sekvenciranje DNK otkriva genetske instrukcije, sekvenciranje proteina pruža uvid u to kako se te instrukcije izražavaju i modifikuju u realnom vremenu. Ovo dublje razumevanje može dovesti do ranijeg otkrivanja bolesti i preciznije terapije prilagođene svakom pacijentu.
„Postoji veliki zamah ka razvoju sekvenciranja proteina jer će nam to dati uvid koji ne možemo dobiti samo iz DNK“, rekao je Fridman. „Nanopore nam omogućavaju da proučavamo proteine na načine koji ranije nisu bili mogući.“
Nanopore su u fokusu napora u kojima će Fridmanov tim pokušati da sekvencira pojedinačne proteine. Ovaj rad se zasniva na njegovom prethodnom istraživanju o prečišćavanju upotrebe nanopora za otkrivanje molekula, virusa i drugih entiteta na nanorazmeri. On vidi ovaj napredak kao znak kako se molekularna dijagnostika i biološka istraživanja mogu promeniti u budućnosti.
„Ima još mnogo toga da se nauči o molekulima koji pokreću zdravlje i bolest“, rekao je Fridman. „Ovaj alat nas pomera korak bliže personalizovanoj medicini.“
Fridman očekuje da će tehnologija nanopora uskoro postati standardna karakteristika iu istraživačkim i zdravstvenim alatima. Kako uređaji postaju pristupačniji i pristupačniji, mogli bi da nađu mesto u svakodnevnim dijagnostičkim kompletima koji se koriste kod kuće ili u klinikama.
„Uveren sam da će nanopore postati deo svakodnevnog života“, rekao je Fridman. „Ovo otkriće bi moglo da promeni način na koji ćemo ih koristiti u napredovanju.“
