Khái niệm về Nanopores xuất hiện vào những năm 1990 khi việc sử dụng chúng trong giải trình tự DNA lần đầu tiên được đề xuất.
Nanopores là những lỗ nhỏ có kích thước nanomet được sản xuất tổng hợp trong các vật liệu nhân tạo cũng như màng sinh học. Chúng cho phép các ion hoặc phân tử đi qua và rất hữu ích trong việc giải trình tự DNA, phân tích protein và công nghệ cảm biến.
Trong nhiều năm, các Nanopores đã được sử dụng để phân tích protein ở cấp độ đơn phân tử. Protein được truyền qua các Nanopores và được phân tích trong quá trình này. Các nghiên cứu sử dụng Nanopores có thể tiết lộ thông tin quan trọng về cấu trúc, động lực học và tương tác của protein với độ chính xác cao.
Nguyên lý của công nghệ Nanopore
Các nguyên tắc chính của công nghệ nanopore bao gồm cấu trúc của nanopore, có thể được chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau, chẳng hạn như vật liệu rắn (như silicon nitride) và vật liệu sinh học (bao gồm cả kênh protein).
Một nguyên tắc quan trọng khác là phát hiện dòng ion, yếu tố cần thiết để nhận biết khi nào các phân tử đi qua các nanopore. Khi các phân tử di chuyển qua màng, chúng sẽ phá vỡ dòng ion vào và ra khỏi nanopore, làm thay đổi dòng ion. Các nhà nghiên cứu ghi lại những thay đổi này để đưa ra suy luận về đặc tính của các phân tử được truyền qua các nanopore.
Công nghệ Nanopore thường không yêu cầu ghi nhãn nên trở thành công cụ có giá trị để phân tích các phân tử sinh học ở trạng thái tự nhiên mà không cần sửa đổi.
Cảm biến đơn phân tử cũng rất quan trọng đối với hoạt động của công nghệ nanopore. Công nghệ nanopore hiện tại cho phép các phân tử riêng lẻ đi qua nanopore và được ghi lại cũng như phân tích trong thời gian thực, tạo điều kiện cho phép đo các đặc tính của phân tử có độ phân giải cao.
Phân tích dữ liệu là một tính năng quan trọng khác của công nghệ nanopore. Các tín hiệu được phát hiện và đo lường trong quá trình nghiên cứu nanopore được xử lý bằng thuật toán được phát triển đặc biệt để trích xuất thông tin quan trọng về các phân tử đang được nghiên cứu. Phân tích dữ liệu có thể giải thích các tín hiệu để suy ra nhận dạng, cấu trúc, trình tự và tương tác của phân tử.
Các ứng dụng của Nanopores trong các phân tích Protein
Nanopores được sử dụng trong một số ứng dụng quan trọng trong phân tích protein. Ví dụ, chúng được sử dụng để xác định đặc tính của protein, trong đó các thí nghiệm về nanopore cung cấp dữ liệu thời gian thực về protein khi chúng đi qua nanopore, giúp các nhà khoa học hiểu thêm về điện tích, kích thước, cấu trúc của chúng, v.v.
Một ứng dụng quan trọng khác là nghiên cứu tương tác protein-protein. Ở đây, các lỗ nano được sử dụng để phân tích hành vi dịch chuyển của phức hợp protein, thu thập thông tin về cách các protein khác nhau tương tác. Các nghiên cứu cũng sử dụng các nanopore để thu được thông tin về cấu trúc gấp của protein, điều này có thể mang lại những hiểu biết quan trọng về động học của protein.
Giải trình tự protein là một ứng dụng quan trọng khác của nanopore trong phân tích protein. Mặc dù ứng dụng này vẫn còn tương đối mới nhưng nghiên cứu đã phát triển thành công nền tảng nanopore để sắp xếp trực tiếp các protein bằng cách phân tích trình tự axit amin của chúng.
Ngoài ra, các nanopore thường được sử dụng để xác định các ứng cử viên thuốc trong sàng lọc và phát triển thuốc, chứng tỏ khả năng ứng dụng của chúng trong nghiên cứu dược phẩm.
Cuối cùng, một ứng dụng mới nổi của nanopore trong phân tích protein là phát hiện dấu ấn sinh học. Các nhà khoa học ngày càng sử dụng các nanopore trong các nền tảng chẩn đoán mới, liên kết các dấu hiệu sinh học (chẳng hạn như protein) với các bệnh khác nhau. Những nền tảng này đang được phát triển để cho phép chẩn đoán chính xác hơn và tạo điều kiện cho y học được cá nhân hóa.
Ưu điểm và hạn chế của phân tích protein dựa trên Nanopore
Có nhiều ưu điểm của phân tích protein dựa trên nanopore. Một ưu điểm đáng kể là độ nhạy phân tử đơn của nó, cho phép nghiên cứu protein ở cấp độ phân tử đơn, cho phép độ nhạy cao và khả năng phát hiện các protein có hàm lượng thấp.
Một ưu điểm quan trọng khác là phát hiện không có nhãn; phân tích protein dựa trên nanopore thường không yêu cầu sửa đổi protein.
Nền tảng phân tích protein dựa trên Nanopore cũng có thông lượng cao, nghĩa là chúng có thể phân tích nhiều protein cùng một lúc. Điều này làm tăng hiệu quả của quá trình phân tích và giảm thời gian nghiên cứu.
Nanopores cũng cho phép theo dõi thời gian thực, một lợi thế cho phép đo lường động các đặc tính của protein, bao gồm kích thước và điện tích.
Cuối cùng, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã chế tạo được các thiết bị nanopore thu nhỏ, mới, cung cấp các ứng dụng chăm sóc tại điểm di động, cho phép dễ dàng truy cập vào chẩn đoán ở những khu vực chưa được quan tâm.
Định hướng tương lai và tác động tiềm tàng của lỗ nano trong nghiên cứu protein
Trong tương lai, có thể sẽ thấy một số cải tiến trong việc sử dụng các nanopore trong nghiên cứu protein. Ví dụ, độ phân giải, độ đặc hiệu được nâng cao và sự tích hợp của các công nghệ cảm biến tiên tiến có thể mang lại lợi ích cho các ứng dụng nanopore trong các lĩnh vực như khám phá thuốc, y học cá nhân hóa và sinh học cấu trúc.
Sự phát triển liên tục của nền tảng nanopore di động có thể nâng cao khả năng chẩn đoán tại điểm chăm sóc và tác động đến khả năng tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe toàn cầu. Nhìn chung, các nanopore, giống như các cấu trúc có kích thước nano khác, dự kiến sẽ vẫn là trọng tâm chính của nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Do đó, các nền tảng dựa trên Nanopore được dự đoán sẽ trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học và chăm sóc sức khỏe.
