Для выявления определенных заболеваний необходимо оперативно и с высокой точностью определять наличие белковых молекул в биологических средах. В связи с этим биоинженеры разработали новый молекулярный сенсор, объединяющий технологии, основанные на антителах, и нанопоры. Исследователи проводят аналогию этого устройства с удочкой, где специфически связывающийся с белками «крючок» реагирует на обнаружение целевой молекулы изменением в потоке ионов.
Для выявления заболеваний медики должны анализировать пробы различных биологических жидкостей и узнавать их состав. Многие болезни можно диагностировать по наличию в анализах особых белков, поэтому врачам необходимы высокоточные методы обнаружения конкретных белковых молекул.
Значительные возможности в данной сфере эксперты видят в технологии нанопор. Это микроскопические отверстия в биологических или иных мембранах, которые, как правило, формируются белками, содержащими канал. Нанопоры чувствительны к взаимодействиям с другими молекулами, изменяя свою способность пропускать ионы с одной стороны мембран на другую.
Данную технологию широко применяют для расшифровки последовательности ДНК, что является основой нанопорового секвенирования. При этом цепочка нуклеиновой кислоты протягивается через пору, а о порядке нуклеотидов в ней судят по изменению тока.
Теперь авторы статьи в Nature Communication сочетали технологию нанопор и специфичность антител, чтобы точно детектировать единичные молекулы белков.
Сначала ученые использовали машинное обучение для моделирования и оптимизации структуры нового белка, а также для изучения его взаимодействия с другими молекулами. Затем сенсор был синтезирован как единый белок, состоящий только из одной аминокислотной цепочки, что отдельные элементы не нуждаются в явном объединении.
Уникальное изобретение ученые назвали «удочкой», поскольку полученный ими синтетический белок обладает «крючком» – специфическим антителом, созданным на основе фибронектина III (известным также как монотело), данный комплекс крайне избирательно соединяет необходимые молекулы. К «крючку» присоединяется «леска» — подвижный линкер, сформированный из шести нуклеотидов. В самой мембране располагается часть молекулы, создающая внутреннее пространство поры, — бета-бочонок.
Как осуществляется «молекулярная рыбалка», позволяющая выявлять отдельные молекулы? Сначала наружная часть монотела связывается с белком, находящимся в растворе. Это приводит к перемещению гибкого линкера и сближению «улова» с отверстием поры. В результате изменяется поток ионов через пору, что можно зарегистрировать при помощи специализированных устройств.
В ходе исследования новая конструкция была протестирована на трех различных белках, играющих ключевую роль в развитии различных заболеваний. Для изменения цели требовалось заменить лишь один компонент сенсора – узнающее монотело, – и такая модификация не оказывала влияния на работу остальных частей молекулы.
Во всех трех случаях идентификация целевого белка проходила оперативно и с высокой точностью, благодаря чему внедрение нового метода может состояться в ближайшее время вооружение врачи.