新型装置将纳米孔与电子信号相结合用于疾病检测

在活生物体中，细胞通过跨越细胞膜的微小通道移动分子或离子，具有非常高的处理和交流信息的能力。加州大学圣克鲁斯分校电气和计算机工程教授 Marco Rolandi 的实验室和麻省理工学院的合作者创建了一种模仿这种生物学概念的设备，以检测疾病。

利用他们的生物质子系统(一种将电子元件与生物元件集成并使用质子电流的设备)，研究人员可以检测表明人类疾病存在的生物分子以及其他应用。有关该设备的详细信息最近 发表在《自然通讯》杂志上 。

“细胞往往是相互联系的——它们利用这些膜间通道相互交谈，或者与外部环境交谈，”罗兰迪说。“我们打算与麻省理工学院的合作者一起创建一个人工离子通道，我们可以根据需要调整离子通道的特性及其功能。”

麻省理工学院的研究人员利用一种称为 DNA 折纸的技术，可以对自然形成双螺旋形状的 DNA 链进行生物工程改造，使其成为他们想要的任何形状。在这个项目中，他们创建了一个专门为质子流(H+)设计的微型隧道，以使其以最佳方式通过。这种微小的通道被称为纳米孔，这一概念 最初是由 UCSC 率先提出的。

DNA 纳米孔位于 Rolandi 的生物质子系统内，该系统旨在模拟细胞环境中水状、离子传导的世界。类似于细胞膜的双层脂质将代表细胞外部环境的水与代表细胞内部的电极分开，嵌入的纳米孔充当两侧之间的通道。

电极将质子流通过纳米孔通道发送到纳米孔的另一侧，那里有一个可以定制的分子结合位点，以便特定的感兴趣的生物分子附着在其上。如果水中存在这些分子之一，它将附着在纳米孔的一端并阻止质子流通过通道。

该设备将质子信号转化为研究人员可以读取的电子信号。当设备没有检测到流过通道的质子时，研究人员就知道存在生物分子。

该装置还包括两个由胆固醇制成的手柄，它们将自身定位在脂质双层上，并提高质子通过纳米孔通道的电导率。

Rolandi 说：“该方法的独特之处在于将这些质子传导装置与支持性脂质双层相结合，我相信我们是唯一致力于这些研究的团队，并为 DNA 纳米孔设计了这种码头。” “新颖之处在于设备的集成以及使用这些 DNA 纳米孔进行传感的能力。”

在论文中，研究人员表明，他们能够使用生物质子系统来检测生物分子 B 型钠尿肽(心脏病的指标)。这表明该设备在体外或临床环境中用于生物分子检测的潜力。

未来，研究人员设想该设备可能包含多个纳米孔，每个纳米孔都被编程为检测不同类型的生物分子。

“这绝对是该系统吸引力的一部分——在不久的将来我们可以进行多路复用，这样我们就可以拥有一整套生物传感器，”罗兰迪说。

UCSC 研究人员 Le (Dante) Luo、Yunjeong Park 和 Jesse Vicente 对本文做出了贡献。来自华盛顿大学和土耳其安卡拉TOBB经济技术大学的研究人员也参与了该项目。该研究得到了国家科学基金会的支持。