p Os pesquisadores passaram mais de três décadas desenvolvendo e estudando biossensores em miniatura que podem identificar moléculas individuais. Em 5 a 10 anos, quando tais dispositivos podem se tornar um grampo em consultórios médicos, eles poderiam detectar marcadores moleculares para câncer e outras doenças e avaliar a eficácia do tratamento medicamentoso para combater essas doenças. p Para ajudar a fazer isso acontecer e aumentar a precisão e velocidade dessas medições, os cientistas devem encontrar maneiras de entender melhor como as moléculas interagem com esses sensores. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Virginia Commonwealth University (VCU) desenvolveram uma nova abordagem. Eles relataram suas descobertas na edição atual da Science Advances.

p A equipe construiu seu biossensor fazendo uma versão artificial do material biológico que forma uma membrana celular. Conhecida como bicamada lipídica, contém um minúsculo poro, cerca de 2 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro, rodeado por fluido. Os íons que são dissolvidos no fluido passam pelo nanopore, gerando uma pequena corrente elétrica. Contudo, quando uma molécula de interesse é conduzida para a membrana, ele bloqueia parcialmente o fluxo de corrente. A duração e magnitude deste bloqueio servem como uma impressão digital, identificar o tamanho e as propriedades de uma molécula específica.

p Para fazer medições precisas para um grande número de moléculas individuais, as moléculas de interesse devem permanecer no nanoporo por um intervalo que não é nem muito longo nem muito curto (o tempo "Cachinhos Dourados"), variando de 100 milionésimos a 10 milésimos de segundo. O problema é que a maioria das moléculas só permanece no pequeno volume de um nanoporo por esse intervalo de tempo se o nanoporo de alguma forma as manter no lugar. Isso significa que o ambiente nanopore deve fornecer uma certa barreira, por exemplo, a adição de uma força eletrostática ou uma mudança na forma do nanopore - que torna mais difícil para as moléculas escaparem.

p A energia mínima necessária para quebrar a barreira difere para cada tipo de molécula e é crítica para que o biossensor funcione com eficiência e precisão. O cálculo dessa quantidade envolve a medição de várias propriedades relacionadas à energia da molécula à medida que ela entra e sai do poro.

p Criticamente, o objetivo é medir se a interação entre a molécula e seu ambiente surge principalmente de uma ligação química ou da capacidade da molécula de se mexer e se mover livremente durante o processo de captura e liberação.

p Até agora, Faltam medições confiáveis ​​para extrair esses componentes energéticos por uma série de razões técnicas. No novo estudo, uma equipe co-liderada por Joseph Robertson do NIST e Joseph Reiner da VCU demonstrou a capacidade de medir essas energias com um rápido, método de aquecimento baseado em laser.

p As medições devem ser realizadas em diferentes temperaturas, e o sistema de aquecimento a laser garante que essas mudanças de temperatura ocorram de forma rápida e reproduzível. Isso permite que os pesquisadores concluam as medições em menos de 2 minutos, em comparação com os 30 minutos ou mais que de outra forma exigiria.

p "Sem esta nova ferramenta de aquecimento baseada em laser, nossa experiência sugere que as medições simplesmente não serão feitas; eles seriam muito demorados e caros, "disse Robertson." Essencialmente, desenvolvemos uma ferramenta que pode mudar o pipeline de desenvolvimento de sensores nanopore para reduzir rapidamente as suposições envolvidas na descoberta do sensor, " ele adicionou.

p Uma vez que as medições de energia são realizadas, eles podem ajudar a revelar como uma molécula interage com o nanopore. Os cientistas podem então usar essas informações para determinar as melhores estratégias para detectar moléculas.

p Por exemplo, considere uma molécula que interage com o nanoporo principalmente por meio de interações químicas - essencialmente eletrostáticas. Para atingir o tempo de captura do Cachinhos Dourados, os pesquisadores experimentaram modificar o nanoporo de modo que sua atração eletrostática pela molécula alvo não fosse nem muito forte nem muito fraca.

p Com esse objetivo em mente, os pesquisadores demonstraram o método com dois pequenos peptídeos, cadeias curtas de compostos que formam os blocos de construção das proteínas. Um dos peptídeos, angiotensina, estabiliza a pressão arterial. O outro peptídeo, neurotensina, ajuda a regular a dopamina, um neurotransmissor que influencia o humor e também pode desempenhar um papel no câncer colorretal. Essas moléculas interagem com os nanoporos principalmente por meio de forças eletrostáticas. Os pesquisadores inseriram no nanopore nanopartículas de ouro cobertas com um material carregado que aumentava as interações eletrostáticas com as moléculas.

p A equipe também examinou outra molécula, polietileno glicol, cuja capacidade de se mover determina quanto tempo ele passa no nanopore. Normalmente, esta molécula pode balançar, gire e estique livremente, livre de seu ambiente. Para aumentar o tempo de residência da molécula no nanoporo, os pesquisadores alteraram a forma do nanopore, tornando mais difícil para a molécula se espremer pela minúscula cavidade e sair.

p "Podemos explorar essas mudanças para construir um biossensor de nanoporos feito sob medida para detectar moléculas específicas, "diz Robertson. Em última análise, um laboratório de pesquisa poderia empregar esse biossensor para identificar moléculas biológicas de interesse ou um consultório médico poderia usar o dispositivo para identificar marcadores de doenças.

p "Nossas medições fornecem um plano de como podemos modificar as interações do poro, seja através da geometria ou química, ou alguma combinação de ambos, para adaptar um sensor nanopore para detectar moléculas específicas, contando um pequeno número de moléculas, ou ambos, "disse Robertson. p Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.