Una nueva plataforma basada en chips desarrollada por investigadores de UC Santa Cruz integra nanoporos y tecnología optofluídica con un circuito de control de retroalimentación para permitir un nivel sin precedentes de control sobre moléculas y partículas individuales en un chip para análisis de alto rendimiento.

En un artículo publicado el 16 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores informaron que usaron el dispositivo para controlar la entrega de biomoléculas individuales, incluidos los ribosomas, ADN y proteínas, en un canal lleno de líquido en el chip. También demostraron que el dispositivo se puede utilizar para clasificar diferentes tipos de moléculas, permitiendo el análisis selectivo de moléculas diana de una mezcla.

Las capacidades del dispositivo programable nanoporo-optofluídico señalan el camino hacia una nueva herramienta de investigación para el análisis de una sola molécula de alto rendimiento en un chip. dijo Holger Schmidt, el Profesor Kapany de Optoelectrónica en UC Santa Cruz y autor correspondiente del artículo.

"Podemos llevar una sola molécula a un canal fluídico donde luego se puede analizar utilizando guías de ondas ópticas integradas u otras técnicas, ", Dijo Schmidt." La idea es introducir una partícula o molécula, manténgalo en el canal para su análisis, luego deseche la partícula, y repetir fácil y rápidamente el proceso para desarrollar estadísticas sólidas de muchos experimentos de una sola molécula ".

El nuevo dispositivo se basa en trabajos anteriores del laboratorio de Schmidt y del grupo de su colaborador Aaron Hawkins en la Universidad Brigham Young para desarrollar tecnología de chip optofluídico que combina microfluidos (canales diminutos para manipular muestras líquidas en un chip) con óptica integrada para el análisis óptico de moléculas individuales. La adición de nanoporos permite la entrega controlada de moléculas en el canal, así como la oportunidad de analizar la señal eléctrica que se produce cuando una molécula atraviesa el poro. Este último trabajo fue dirigido por el primer autor Mahmudur Rahman, estudiante de posgrado en el laboratorio de Schmidt en UC Santa Cruz.

La tecnología Nanopore se ha utilizado con éxito en aplicaciones de secuenciación de ADN, y Schmidt y otros investigadores han estado explorando nuevas formas de explotar la información en las señales producidas cuando las moléculas o partículas se trasladan a través de un nanoporo.

Con el sistema de control de retroalimentación (un microcontrolador y relé de estado sólido) en el nuevo dispositivo, El análisis en tiempo real de la corriente convierte al nanoporo en una "puerta inteligente" que el usuario puede programar para entregar moléculas al canal de una manera predeterminada. La puerta se puede cerrar tan pronto como una sola molécula (o cualquier número establecido por el usuario) haya pasado, y se abrió de nuevo después de un tiempo establecido.

"El uso de nanoporos como 'puertas inteligentes' es un paso clave hacia un sistema de análisis de una sola molécula que es fácil de usar y puede funcionar a un alto rendimiento, ", Dijo Schmidt." Permite el control programable por el usuario sobre el número de moléculas que se entregan a un canal fluídico para su posterior análisis o procesamiento, puerta selectiva de diferentes tipos de moléculas individuales, y la capacidad de entregar moléculas individuales en un chip a velocidades récord de varios cientos por minuto ".

Usando ribosomas bacterianos (70S), los investigadores demostraron la entrega controlada de más de 500 ribosomas por minuto. Coautor Harry Noller, el Profesor Sinsheimer de Biología Molecular en UC Santa Cruz, ha realizado una investigación pionera sobre la estructura y función de los ribosomas, las máquinas moleculares que sintetizan proteínas en todas las células vivas, y colabora con el grupo de Schmidt desde 2006.

Los investigadores también utilizaron una mezcla de ADN y ribosomas para mostrar la capacidad del dispositivo de activar selectivamente la función de activación de una molécula objetivo (en este caso, ADN). Esto puede habilitar, por ejemplo, experimentos de fluorescencia en un número controlado de moléculas objetivo, mientras que las partículas no etiquetadas se ignoran y se descartan. La compuerta selectiva también podría usarse para purificar o clasificar diferentes partículas aguas abajo del nanoporo, basado en las señales a medida que las partículas pasan a través del nanoporo, Dijo Schmidt.

El sistema programable permite flexibilidad para una amplia gama de aplicaciones potenciales, él dijo.