Los investigadores han pasado más de tres décadas desarrollando y estudiando biosensores en miniatura que pueden identificar moléculas individuales. En 5 a 10 años, cuando dichos dispositivos pueden convertirse en un elemento básico en los consultorios médicos, podrían detectar marcadores moleculares del cáncer y otras enfermedades y evaluar la eficacia del tratamiento farmacológico para combatir esas enfermedades.

Para ayudar a que eso suceda y para aumentar la precisión y la velocidad de estas mediciones, los científicos deben encontrar formas de comprender mejor cómo interactúan las moléculas con estos sensores. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Virginia Commonwealth (VCU) han desarrollado un nuevo enfoque. Informaron sus hallazgos en la edición actual de Avances científicos.

El equipo construyó su biosensor haciendo una versión artificial del material biológico que forma una membrana celular. Conocida como bicapa lipídica, contiene un poro diminuto, aproximadamente 2 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho de diámetro, rodeado de fluido. Los iones que se disuelven en el fluido pasan a través del nanoporo, generando una pequeña corriente eléctrica. Sin embargo, cuando una molécula de interés se introduce en la membrana, bloquea parcialmente el flujo de corriente. La duración y la magnitud de este bloqueo sirven como huella digital, identificar el tamaño y las propiedades de una molécula específica.

Para realizar mediciones precisas de una gran cantidad de moléculas individuales, las moléculas de interés deben permanecer en el nanoporo durante un intervalo que no sea ni demasiado largo ni demasiado corto (el tiempo de "Ricitos de oro"), que van desde 100 millonésimas a 10 milésimas de segundo. El problema es que la mayoría de las moléculas solo permanecen en el pequeño volumen de un nanoporo durante este intervalo de tiempo si el nanoporo las mantiene en su lugar de alguna manera. Esto significa que el entorno de nanoporos debe proporcionar una cierta barrera, por ejemplo, la adición de una fuerza electrostática o un cambio en la forma del nanoporo, lo que dificulta que las moléculas escapen.

La energía mínima requerida para romper la barrera difiere para cada tipo de molécula y es fundamental para que el biosensor funcione de manera eficiente y precisa. El cálculo de esta cantidad implica medir varias propiedades relacionadas con la energía de la molécula a medida que entra y sale del poro.

Críticamente, el objetivo es medir si la interacción entre la molécula y su entorno surge principalmente de un enlace químico o de la capacidad de la molécula para moverse y moverse libremente durante el proceso de captura y liberación.

Hasta ahora, Se han perdido medidas fiables para extraer estos componentes energéticos por una serie de razones técnicas. En el nuevo estudio, un equipo codirigido por Joseph Robertson de NIST y Joseph Reiner de VCU demostró la capacidad de medir estas energías con un rápido, método de calentamiento basado en láser.

Las mediciones deben realizarse a diferentes temperaturas, y el sistema de calentamiento por láser asegura que estos cambios de temperatura se produzcan de forma rápida y reproducible. Eso permite a los investigadores completar mediciones en menos de 2 minutos, en comparación con los 30 minutos o más que requeriría de otro modo.

"Sin esta nueva herramienta de calentamiento basada en láser, nuestra experiencia sugiere que las mediciones simplemente no se realizarán; serían demasiado costosos y consumirían mucho tiempo, ", dijo Robertson." Esencialmente, Hemos desarrollado una herramienta que puede cambiar la línea de desarrollo de sensores de nanoporos para reducir rápidamente las conjeturas involucradas en el descubrimiento de sensores. "añadió.

Una vez realizadas las mediciones de energía, pueden ayudar a revelar cómo interactúa una molécula con el nanoporo. Luego, los científicos pueden usar esta información para determinar las mejores estrategias para detectar moléculas.

Por ejemplo, considere una molécula que interactúa con el nanoporo principalmente a través de interacciones químicas, esencialmente electrostáticas. Para lograr el tiempo de captura de Ricitos de Oro, los investigadores experimentaron modificando el nanoporo para que su atracción electrostática hacia la molécula objetivo no fuera ni demasiado fuerte ni demasiado débil.

Con este objetivo en mente, los investigadores demostraron el método con dos pequeños péptidos, cadenas cortas de compuestos que forman los componentes básicos de las proteínas. Uno de los péptidos, angiotensina, estabiliza la presión arterial. El otro péptido, neurotensina ayuda a regular la dopamina, un neurotransmisor que influye en el estado de ánimo y también puede desempeñar un papel en el cáncer colorrectal. Estas moléculas interactúan con los nanoporos principalmente a través de fuerzas electrostáticas. Los investigadores insertaron en las nanopartículas de oro nanoporo cubiertas con un material cargado que impulsó las interacciones electrostáticas con las moléculas.

El equipo también examinó otra molécula, polietilenglicol, cuya capacidad de movimiento determina cuánto tiempo pasa en el nanoporo. Ordinariamente, esta molécula puede moverse, rotar y estirar libremente, libre de obstáculos por su entorno. Para aumentar el tiempo de residencia de la molécula en el nanoporo, los investigadores alteraron la forma del nanoporo, lo que dificulta que la molécula pase a través de la pequeña cavidad y salga.

"Podemos aprovechar estos cambios para construir un biosensor de nanoporos diseñado para detectar moléculas específicas, "dice Robertson. En última instancia, un laboratorio de investigación podría emplear dicho biosensor para identificar moléculas biológicas de interés o el consultorio de un médico podría usar el dispositivo para identificar marcadores de enfermedades.

"Nuestras mediciones proporcionan un modelo de cómo podemos modificar las interacciones del poro, ya sea a través de la geometría o la química, o alguna combinación de ambos, para adaptar un sensor de nanoporos para detectar moléculas específicas, contando pequeñas cantidades de moléculas, o ambos, "dijo Robertson.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.