Nanoporo

Un nanoporo es un poro de tamaño nanométrico . Puede ser creado, por ejemplo, por una proteína formadora de poros o como un agujero en materiales sintéticos como el silicio o el grafeno.

Cuando un nanoporo está presente en una membrana eléctricamente aislante , se puede utilizar como un detector de moléculas individuales . Puede ser un canal de proteína biológica en una bicapa lipídica de alta resistencia eléctrica , un poro en una membrana de estado sólido o un híbrido de estos: un canal de proteína establecido en una membrana sintética. El principio de detección se basa en monitorear la corriente iónica que pasa a través del nanoporo a medida que se aplica un voltaje a través de la membrana. Cuando el nanoporo es de dimensiones moleculares, el paso de moléculas (por ejemplo, ADN ) causa interrupciones del nivel de corriente "abierto", lo que lleva a una señal de "evento de translocación". El paso de moléculas de ARN o ADN monocatenario a través del canal de alfa-hemolisina incrustado en la membrana (1,5 nm de diámetro), por ejemplo, causa un bloqueo de ~90% de la corriente (medido en una solución de KCl 1 M). ^[1]

Puede considerarse un contador Coulter para partículas mucho más pequeñas. ^[2]

• Los nanoporos pueden formarse a partir de proteínas formadoras de poros, ^[3] típicamente un núcleo hueco que pasa a través de una molécula de proteína con forma de hongo. Ejemplos de proteínas formadoras de poros son la alfa hemolisina , la aerolisina y la porina MspA . En experimentos típicos de nanoporos de laboratorio, se inserta un único nanoporo de proteína en una membrana de bicapa lipídica y se toman mediciones electrofisiológicas de un solo canal . Se han extraído proteínas formadoras de poros más nuevas de bacteriófagos para estudiar su uso como nanoporos. Estos poros generalmente se seleccionan debido a que su diámetro es superior a 2 nm, el diámetro del ADN bicatenario. ^[4]
• Los nanoporos más grandes pueden tener hasta 20 nm de diámetro. Estos poros permiten el paso de moléculas pequeñas como el oxígeno , la glucosa y la insulina , pero impiden el paso de moléculas grandes del sistema inmunológico como las inmunoglobulinas . Por ejemplo, las células pancreáticas de rata están microencapsuladas, reciben nutrientes y liberan insulina a través de nanoporos, quedando totalmente aisladas de su entorno vecino, es decir, de las células extrañas. Este conocimiento puede ayudar a reemplazar los islotes no funcionales de células de Langerhans en el páncreas (responsables de producir insulina), por células de lechones recolectadas. Se pueden implantar debajo de la piel humana sin necesidad de inmunosupresores que ponen a los pacientes diabéticos en riesgo de infección.

• Los nanoporos de estado sólido se fabrican generalmente en membranas de compuestos de silicio , siendo uno de los más comunes el nitruro de silicio . El segundo tipo de nanoporos de estado sólido ampliamente utilizado son los nanoporos de vidrio fabricados mediante tracción asistida por láser de capilares de vidrio. ^[5] Los nanoporos de estado sólido se pueden fabricar con varias técnicas, entre ellas , esculpido con haz de iones , ^[6] ruptura dieléctrica, ^[7] exposición a haz de electrones mediante TEM ^[8] y grabado de pistas de iones. ^[9]
• Más recientemente, se ha explorado el uso de grafeno ^[10] como material para la detección de nanoporos en estado sólido. Otro ejemplo de nanoporos en estado sólido es una nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) . ^[11] La nanoestructura BSG es un sistema multicapa de nanocanales huecos paralelos ubicados a lo largo de la superficie y que tienen una sección transversal cuadrangular. El espesor de las paredes del canal es aproximadamente igual a 1 nm. El ancho típico de las facetas del canal es de aproximadamente 25 nm.
• Se han fabricado nanoporos elastoméricos de tamaño ajustable, lo que permite una medición precisa de las nanopartículas a medida que ocluyen el flujo de corriente iónica. Esta metodología de medición se puede utilizar para medir una amplia gama de tipos de partículas. En contraste con las limitaciones de los poros de estado sólido, permiten la optimización de la magnitud del pulso de resistencia en relación con la corriente de fondo al hacer coincidir estrechamente el tamaño de poro con el tamaño de partícula. Como la detección se produce partícula por partícula, se puede determinar la distribución promedio y de polidispersión real. ^{[12] [13] Utilizando este principio,} Izon Science Ltd ha desarrollado el único sistema comercial de detección de partículas basado en nanoporos ajustables del mundo . La nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) se puede utilizar como base para construir dispositivos con tamaños de poro cambiables. ^[11]

La observación de que una cadena de ADN que pasa y que contiene bases diferentes se corresponde con cambios en los valores actuales ha llevado al desarrollo de la secuenciación por nanoporos. ^[14] La secuenciación por nanoporos puede ocurrir con nanoporos bacterianos como los mencionados en la sección anterior, así como con los dispositivos de secuenciación por nanoporos creados por Oxford Nanopore Technologies .

Desde un punto de vista fundamental, los nucleótidos de ADN o ARN se identifican en función de los cambios en la corriente a medida que la hebra ingresa al poro. El enfoque que Oxford Nanopore Technologies utiliza para la secuenciación de ADN por nanoporos es que la muestra de ADN marcada se carga en la celda de flujo dentro del nanoporo. El fragmento de ADN se guía hacia el nanoporo y comienza el despliegue de la hélice. A medida que la hélice desenrollada se mueve a través del nanoporo, se correlaciona con un cambio en el valor de la corriente que se mide en miles de veces por segundo. El software de análisis de nanoporos puede tomar este valor de corriente alterna para cada base detectada y obtener la secuencia de ADN resultante. ^[15] De manera similar con el uso de nanoporos biológicos, a medida que se aplica un voltaje constante al sistema, se puede observar la corriente alterna. A medida que el ADN, el ARN o los péptidos ingresan al poro, se pueden observar cambios en la corriente a través de este sistema que son característicos del monómero que se está identificando. ^{[16] [17]}

La rectificación de corriente iónica (ICR) es un fenómeno importante para los nanoporos. La rectificación de corriente iónica también se puede utilizar como sensor de fármacos ^{[18] [19]} y emplearse para investigar el estado de carga en la membrana de polímero. ^[20]

Aparte de la secuenciación rápida de ADN , otras aplicaciones incluyen la separación de ADN monocatenario y bicatenario en solución y la determinación de la longitud de polímeros . En esta etapa, los nanoporos están haciendo contribuciones a la comprensión de la biofísica de polímeros, el análisis de moléculas individuales de interacciones ADN-proteína, así como la secuenciación de péptidos. Cuando se trata de la secuenciación de péptidos, los nanoporos bacterianos como la hemolisina , se pueden aplicar tanto al ARN, ADN y, más recientemente, a la secuenciación de proteínas. Como cuando se aplicó en un estudio en el que se sintetizaron péptidos con la misma repetición de glicina-prolina-prolina y luego se sometieron a un análisis de nanoporos, se pudo obtener una secuencia precisa. ^[21] Esto también se puede utilizar para identificar diferencias en la estereoquímica de péptidos en función de interacciones iónicas intermoleculares. También se podrían observar algunos cambios de configuración de la proteína a partir de la curva de translocación. ^[22] Comprender esto también aporta más datos para comprender completamente la secuencia del péptido en su entorno. ^[23] El uso de otro nanoporo derivado de bacterias, un nanoporo de aerolisina , ha demostrado tener la capacidad de distinguir residuos dentro de un péptido y también de identificar toxinas presentes incluso en muestras de proteínas proclamadas como "muy puras", al tiempo que demuestra estabilidad en distintos valores de pH. ^[16] Una limitación del uso de nanoporos bacterianos sería que se detectaron con precisión péptidos de tan solo seis residuos, pero con péptidos más grandes y con carga más negativa se produjo una señal de fondo mayor que no es representativa de la molécula. ^[24]

Desde el descubrimiento de la tecnología de grabado de pistas a finales de los años 60, las membranas de filtrado con el diámetro necesario han encontrado potencial de aplicación en diversos campos, entre ellos la seguridad alimentaria, la contaminación ambiental, la biología, la medicina, las pilas de combustible y la química. Estas membranas de grabado de pistas se fabrican normalmente en membranas de polímero mediante un procedimiento de grabado de pistas, durante el cual la membrana de polímero se irradia primero con un haz de iones pesados ​​para formar pistas y luego se crean poros cilíndricos o poros asimétricos a lo largo de la pista después del grabado húmedo.

Tan importante como la fabricación de las membranas filtrantes con los diámetros adecuados, son las caracterizaciones y mediciones de estos materiales. Hasta ahora, se han desarrollado algunos métodos, que pueden clasificarse en las siguientes categorías según los mecanismos físicos que explotan: métodos de imagen como microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía de fuerza atómica (AFM); transporte de fluidos como punto de burbuja y transporte de gas; adsorciones de fluidos como adsorción/desorción de nitrógeno (BEH), porosimetría de mercurio, equilibrio líquido-vapor (BJH), equilibrio gas-líquido (permoporometría) y equilibrio líquido-sólido (termoporometría); conductancia electrónica; espectroscopia ultrasónica; y transporte molecular.

Más recientemente, se ha propuesto el uso de la técnica de transmisión de luz ^[25] como método para medir el tamaño de los nanoporos.

• Bloqueo de Coulomb
• Hemolisina
• Nanofluídica
• Nanómetro
• Secuenciación de nanoporos
• Materiales nanoporosos
• Toxina formadora de poros

• Simulaciones por computadora de dispositivos de nanoporos
• Sensores de nanoporos cónicos
• Canales biomiméticos y dispositivos iónicos