나노포레

Nanopore
나노포어 내부기계의 개략도 및 시퀀싱 중 해당 전류차단

나노포어는 나노미터 크기의 기공이다. 예를 들어, 그것은 모공 형성 단백질에 의해 생성되거나 실리콘이나 그래핀과 같은 합성 물질의 구멍으로 생성될 수 있다.

나노포어가 전기 절연막에 존재할 경우, 단일 분자 검출기로 사용할 수 있다. 이 채널은 높은 전기 저항성 지질 빌리더에 있는 생물학적 단백질 채널, 고체 상태의 막에 있는 모공 또는 이것들의 혼합물이 될 수 있다 – 합성 막에 설정된 단백질 채널이다. 검출 원리는 전극에 전압이 작용하면서 나노포어를 통과하는 이온전류를 감시하는 것에 기초한다. 나노포어가 분자 차원일 때 분자(예: DNA)의 통과로 인해 "개방" 전류 레벨이 중단되어 "전환 이벤트" 신호가 발생한다. 예를 들어, RNA 또는 단일 가닥 DNA 분자가 멤브레인 내장 알파-헬리신 채널(1.5nm 직경)을 통과하면 전류가 90%까지 차단된다(1M KCl 용액으로 측정).[1]

그것은 훨씬 더 작은 입자들을 위한 쿨터 카운터로 여겨질 수 있다.[2]

나노포어의 종류

유기농

  • 나노포어는 모공 형성 단백질에 의해 형성될 수 있는데,[3] 전형적으로 버섯 모양의 단백질 분자를 통과하는 속이 비어 있다. 모공 형성 단백질의 예로는 알파 용혈신, 에어로이신, MspA 포린 등이 있다. 대표적인 실험실 나노포어 실험에서는 지질빌라이어 막에 단일 단백질 나노포어를 삽입하고 단일 채널 전기생리학 측정을 한다. 새로운 모공 형성 단백질은 박테리오파지에서 나노포어로 사용하기 위한 연구를 위해 추출되었다. 이러한 모공은 이중 가닥 DNA의 지름인 2nm 이상의 직경 때문에 일반적으로 선택된다.[4]
  • 더 큰 나노포어는 지름이 20nm까지 될 수 있다. 이 모공들은 산소, 포도당, 인슐린과 같은 작은 분자들이 지나가게 하지만 면역글로빈과 같은 큰 면역체계 분자들이 지나가는 것을 막는다. 예를 들어 쥐 췌장세포는 미세캡슐화되어 영양분을 공급받으며 나노포자가 주변 환경, 즉 외국 세포와 완전히 격리되어 인슐린을 방출한다. 이러한 지식은 췌장에 있는 비기능성 랑게르한스 세포(인슐린 생산 책임)를 수확한 새끼돼지 세포로 대체하는 데 도움이 될 수 있다. 그것들은 당뇨병 환자들을 감염의 위험에 빠뜨리는 면역억제제의 필요 없이 인간의 피부 밑에 이식될 수 있다.

무기체

  • 고체 상태의 나노포체는 일반적으로 실리콘 복합막에서 만들어지는데, 가장 흔한 것 중 하나는 질화규소다. 널리 사용되는 고체 상태의 두 번째 나노포어는 유리 모세관을 레이저로 받쳐 당겨 만든 유리 나노포어다.[5] 고체 상태의 나노포어는 이온빔 조각과[6] 전자빔을 포함한 몇 가지 기법으로 제조할 수 있다.[7]
  • 보다 최근에는 그래핀을[8] 고체 나노포어 감지 재료로 사용하는 방법을 탐구하고 있다. 고체 상태의 나노포어의 또 다른 예는 박스형 그래핀(BSG) 나노구조물이다.[9] BSG 나노 구조는 표면을 따라 위치한 병렬 중공 나노 채널의 다층 구조로, 4각 단면을 가지고 있다. 채널 벽의 두께는 대략 1 nm와 같다. 채널 측면의 일반적인 폭은 약 25 nm이다.
  • 크기 조절식 탄성 나노포어가 제작되어 나노 입자가 이온 전류의 흐름을 방해할 때 정확한 측정이 가능하다. 이 측정 방법론은 광범위한 입자 유형을 측정하는 데 사용될 수 있다. 고체 상태의 모공의 한계와 대조적으로 모공 크기를 입자 크기에 근접하게 매칭하여 백그라운드 전류에 상대적인 저항 펄스 크기를 최적화할 수 있다. 입자에 의한 검출은 입자에 의해 발생하므로, 참 평균과 다분산 분포를 결정할 수 있다.[10][11] 이 원리를 이용해 세계 유일의 상업용 튜닝 나노포어 기반 입자 검출 시스템을 아이존사이언스(Izon Science Ltd)가 개발했다. 박스형 그래핀(BSG) 나노 구조는 모공 크기를 변경할 수 있는 장치를 만드는 기초가 될 수 있다.[9]

나노포어 기반 시퀀싱

서로 다른 염기들을 포함하는 DNA의 통과 가닥이 현재 값의 변화에 대응한다는 관찰은 옥스포드 나노포어 테크놀로지에 의해 만들어지는 나노포어 염기서열 분석 장치뿐만 아니라 위 절에서 언급한 바와 같이 박테리아 나노포어 염기서열[12] 분석 장치(s)로 나노포어 염기서열 분석 장치는 옥스포드 나노포어 테크놀로어에 의해 만들어진다.

모노머 식별

근본적인 관점에서 보면 DNA나 RNA에서 나오는 뉴클레오티드는 가닥이 모공 안으로 들어가면서 전류의 변화를 기준으로 파악된다. 옥스포드 나노포어 테크놀로지스가 DNA샘플을 표기한 나노포어 DNA 염기서열에 사용하는 접근법은 나노포어 내의 플로우 셀에 탑재된다. DNA 파편은 나노포어로 안내되어 나선의 포개를 시작한다. 나선이 나노포어를 통해 이동함에 따라 초당 수천 번 측정되는 전류값의 변화와 상관관계가 있다. 나노포어 분석 소프트웨어는 검출된 각 베이스에 대해 이 교류 값을 취하고, 그 결과 DNA 시퀀스를 얻을 수 있다.[13] 생물학적 나노포어의 사용과 유사하게, 시스템에 일정한 전압이 가해짐에 따라 교류도 관측할 수 있다. DNA, RNA 또는 펩타이드들이 모공 속으로 들어가면서 이 시스템을 통해 확인되는 모노머의 특징인 전류의 변화를 관찰할 수 있다.[14][15]

이온 전류 정류(ICR)는 나노포어의 중요한 현상이다. 이온 전류 정류도 약물 센서로[16][17] 사용할 수 있으며 폴리머 막의 충전 상태를 조사하기 위해 사용할 수 있다.[18]

Nanopore 시퀀싱에 응용 프로그램

빠른 DNA 염기서열 분석 외에도 용액에서 단일 좌초 DNA와 이중 좌초 DNA의 분리, 중합체 길이 결정 등이 다른 응용 분야다. 이 단계에서 나노포레스는 고분자 생물물리학의 이해, DNA-단백질 상호작용의 단일분자 분석, 펩타이드 염기서열화에 기여하고 있다. 용혈신과 같은 펩타이드 염기서열은 RNA, DNA 그리고 가장 최근에 단백질 염기서열 모두에 적용될 수 있다. 동일한 글리신-프로라인-프로라인 반복을 가진 펩타이드 성분이 합성된 후 나노포어 분석을 통해 정확한 시퀀스를 얻을 수 있었던 연구에서와 같이, 정확한 시퀀스를 얻을 수 있었다.[19] 이것은 또한 분자간 이온 상호작용에 기초한 펩타이드의 입체화학성의 차이를 식별하는 데 사용될 수 있다. 단백질의 일부 구성 변화도 변환 곡선에서 관찰할 수 있었다.[20] 이것을 이해하는 것은 또한 그 환경에서 펩타이드의 순서를 완전히 이해하는 데 더 많은 데이터를 기여한다.[21] 또 다른 박테리아에서 파생된 나노포어인 공리신 나노포어의 사용은 펩타이드 내 잔류물을 구별하는 유사한 능력을 보여주었으며, 또한 "매우 순수한" 단백질 샘플에 존재하는 독소를 식별하는 동시에 다양한 pH 값에 대한 안정성을 입증하는 능력을 보여주었다.[14] 박테리아 나노포어의 사용에 대한 한계는 6개의 잔류물만큼 짧은 펩타이드가 정확하게 검출되었다는 것이지만, 음전하가 더 큰 펩타이드로 인해 분자를 대표하지 않는 더 많은 배경 신호가 발생했다는 것이다.[22]

대체 응용 프로그램

1960년대 후반 추적기술 발견 이후 필요한 직경의 필터막은 식품안전, 환경오염, 생물학, 의학, 연료전지, 화학 등 다양한 분야에서 응용 잠재력을 찾아냈다. 이러한 선로식 막은 일반적으로 선로식응 절차를 통해 폴리머 막으로 만들어지는데, 이 과정에서 폴리머 막은 무거운 이온빔에 의해 먼저 조사되어 선로를 형성한 다음 습식 후 선로를 따라 원통형 모공이나 비대칭 모공이 생성된다.

적절한 직경을 가진 필터 막의 제작만큼이나 중요한 것은 이러한 재료의 특성화와 측정이 가장 중요하다. 지금까지는 전자현미경 검사(SEM), 전송전자현미경 검사(TEM), 원자력현미경 검사(AFM), 기포점, 가스운반 등 유체운반(Fluid Transportation), 유체 등 그들이 착취한 물리적 메커니즘에 따라 다음과 같은 범주로 분류할 수 있는 몇 가지 방법이 개발되었다. 질소 흡착/탈취(BEE), 수은 포로시메트리, 액체-증기 평형(BJH), 기체-액체 평형(공포도계) 및 액체-고체 평형(열고체 평형), 전자 전도성, 초음파 분광학, 분자 수송 등의 흡착.

보다 최근에는 나노포어 크기 측정 방법으로 광전송 기법을[23] 사용하는 것이 제안되고 있다.

참고 항목

참조

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추가 읽기

외부 링크