Al combinar la tecnología de nanoporos con la microscopía de conductancia iónica de barrido por primera vez, los investigadores de la EPFL han logrado un control casi perfecto sobre la manipulación de moléculas individuales, lo que les permite identificarlas y caracterizarlas con una precisión sin precedentes. CRÉDITO Samuel Leitão / EPFL
Nota del editor: Si va a investigar información genómica en el campo o en un laboratorio, cuanto más sepa, más sabrá. La tecnología Nanopore está en el corazón de los pequeños dispositivos Oxford Nanopore MinION que ahora se utilizan en expediciones de campo de astrobiología en la Tierra, así como a bordo de la Estación Espacial Internacional. Mientras nos preparamos para explorar otros mundos, sería bueno que nuestros tricorders pudieran examinar moléculas de información como el ADN que forma la base para la herencia en todas las formas de vida terrestres.
Aleksandra Radenovic, directora del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la Facultad de Ingeniería, ha trabajado durante años para mejorar la tecnología de nanoporos, que implica pasar una molécula como el ADN a través de un pequeño poro en una membrana para medir una corriente iónica. Los científicos pueden determinar la secuencia de nucleótidos del ADN, que codifica la información genética, analizando cómo cada uno perturba esta corriente a medida que pasa. La investigación ha sido publicada hoy en Nature Nanotechnology.
Actualmente, el paso de las moléculas a través de un nanoporo y el momento de su análisis están influenciados por fuerzas físicas aleatorias, y el rápido movimiento de las moléculas hace que lograr una alta precisión analítica sea un desafío. Radenovic ha abordado anteriormente estos problemas con pinzas ópticas y líquidos viscosos. Ahora, una colaboración con Georg Fantner y su equipo en el Laboratorio de Bioinstrumentación y Nanoinstrumentación de la EPFL ha producido el avance que ella estaba buscando, con resultados que podrían ir mucho más allá del ADN.
“Hemos combinado la sensibilidad de los nanoporos con la precisión de la microscopía de conductancia de iones de barrido (SICM), lo que nos permite bloquear moléculas y ubicaciones específicas y controlar qué tan rápido se mueven. Este control exquisito podría ayudar a llenar un gran vacío en el campo ”, dice Radenovic. Los investigadores lograron este control utilizando un microscopio de conductancia de iones de barrido de última generación reutilizado, desarrollado recientemente en el Laboratorio de Bio- y Nano-Instrumentación.
Mejora de la precisión de detección en dos órdenes de magnitud
La colaboración fortuita entre los laboratorios fue catalizada por el estudiante de doctorado Samuel Leitão. Su investigación se centra en SICM, en el que las variaciones en la corriente iónica que fluye a través de la punta de una sonda se utilizan para producir datos de imágenes 3D de alta resolución. Para su doctorado, Leitão desarrolló y aplicó la tecnología SICM a la obtención de imágenes de estructuras celulares a nanoescala, utilizando un nanoporo de vidrio como sonda. En este nuevo trabajo, el equipo aplicó la precisión de una sonda SICM para mover moléculas a través de un nanoporo, en lugar de dejar que se difundan al azar.
Denominada espectroscopia de conductancia iónica de barrido (SICS), la innovación ralentiza el tránsito de moléculas a través del nanoporo, lo que permite que se tomen miles de lecturas consecutivas de la misma molécula, e incluso de diferentes ubicaciones en la molécula. La capacidad de controlar la velocidad de tránsito y promediar múltiples lecturas de la misma molécula ha dado como resultado un aumento en la relación señal-ruido de dos órdenes de magnitud en comparación con los métodos convencionales.
«Lo que es particularmente emocionante es que esta mayor capacidad de detección con SICS puede transferirse a otros métodos de nanoporos biológicos y de estado sólido, lo que podría mejorar significativamente las aplicaciones de diagnóstico y secuenciación», dice Leitão.
Fantner resume la lógica del enfoque con una analogía automotriz: “Imagina que estás viendo autos conducir de un lado a otro mientras te paras frente a una ventana. Es mucho más fácil leer sus números de placa si los autos reducen la velocidad y pasan repetidamente «, dice. «También podemos decidir si queremos medir 1000 moléculas diferentes cada vez o la misma molécula 1000 veces, lo que representa un cambio de paradigma real en el campo».
Esta precisión y versatilidad significa que el enfoque podría aplicarse a moléculas más allá del ADN, como los componentes básicos de proteínas llamados péptidos, que podrían ayudar a avanzar en la proteómica, así como en la investigación biomédica y clínica.
«Encontrar una solución para secuenciar péptidos ha sido un desafío importante debido a la complejidad de sus ‘matrículas’, que se componen de 20 caracteres (aminoácidos) en lugar de los cuatro nucleótidos del ADN», dice Radenovic. «Para mí, el La esperanza más emocionante es que este nuevo control pueda abrir un camino más fácil hacia la secuenciación de péptidos”.
Translocaciones de una sola molécula espacialmente multiplexadas a través de un nanoporo a velocidades controladas, Nature Nanotechnology
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