Исследователи показали новый тип самособирающихся нанопор, способных распознавать белки, связанные с болезнью Паркинсона и боковым амиотрофическим склерозом (БАС). Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Главная особенность разработки в том, что нанопора не является жестким микроскопическим «дырявым ситом». Она способна менять диаметр как диафрагма фотоаппарата. За счет этого один и тот же базовый сенсор можно использовать для анализа разных молекул.
Чтобы придать конструкции такую гибкость, ученые встроили в специально разработанный пептид одну необычную аминокислоту. В результате молекулярная конструкция сохраняет основу, но может переходить между меньшим и большим диаметром.
Над проектом работала международная команда во главе с Кожинжампарой Махендраном из Центра биотехнологий имени Раджива Ганди в Индии. Ученые из Бременского университета, в частности профессор Ульрих Кляйнекафер и постдок Кальянашис Джана, отвечали за компьютерное моделирование. Оно позволило на молекулярном уровне рассмотреть, как нанопоры взаимодействуют с исследуемыми веществами.
Белковый «комок» теперь можно застать в момент рождения
Большие нанопоры показали себя особенно хорошо при работе с альфа-синуклеином — белком, патологическое накопление которого является одним из характерных признаков болезни Паркинсона.
Сенсор смог обнаруживать его в наномолярных концентрациях — то есть буквально следовые количества. Более того, нанопора различала вызывающие заболевание варианты белка даже тогда, когда они находились в неоднородной смеси. Меньшие поры позволили обнаруживать пептиды, связанные с БАС и гибелью клеток.
Самое любопытное произошло дальше. Технология дала исследователям возможность наблюдать в реальном времени и на уровне отдельных частиц, как относительно безобидные белковые молекулы меняют структуру, начинают слипаться и постепенно формируют токсичные агрегаты, способные повреждать клетки мозга.
Тут важна не только красивая картинка под микроскопом. Если ученые смогут определить промежуточные состояния белка, на которых начинается его превращение в токсичный агрегат, именно эти состояния могут стать мишенью для будущих лекарств.
Обычные методы, включая иммуноферментный анализ и масс-спектрометрию, требуют больших объемов образца и имеют непреодолимые ограничения при обнаружении очень малых концентраций и различении состояний агрегации белков в реальном времени. Нанопоровая технология, напротив, работает с минимальным количеством материала и дает разрешение на уровне отдельных молекул.
При этом до появления нового диагностического теста или лекарства на основе гибких нанопор еще далеко. Авторы исследования подчеркивают, что сейчас речь идет прежде всего о фундаментальной науке. Технологии предстоит пройти еще несколько этапов, прежде чем она сможет превратиться в клинический инструмент для пациентов с болезнью Паркинсона или БАС.
Нанопоры уже учатся «запоминать» молекулы
Разработка хорошо вписывается в более широкое направление исследований нанопоровых сенсоров. Например, Hi-Tech Mail сообщил о нанопоре, которая способна учитывать собственную «историю» взаимодействий с молекулами. В том эксперименте изменение электрических сигналов позволяло различать четыре нуклеотида ДНК и семь разных аминокислот.
Другой материал рассказывает о синтезе энзимов, способных самостоятельно искать и разрушать патологические белковые скопления, вызывающие нейродегенерацию.