Los investigadores de la EPFL dirigidos por la Dra. Aleksandra Radenovic han avanzado en la tecnología de nanoporos integrándola con la microscopía de conductancia iónica de barrido. La técnica resultante, la espectroscopia de conductancia iónica de barrido, ofrece una precisión sin precedentes en el control de la tasa de tránsito molecular, lo que da como resultado un aumento significativo en la relación señal/ruido. Este método versátil podría tener un gran impacto en el análisis de ADN, la proteómica y la investigación clínica. Crédito: Samuel Leitao / EPFL
Los investigadores de EPFL han logrado un control casi perfecto sobre la manipulación de moléculas individuales, lo que les permite identificarlas y caracterizarlas con una precisión sin precedentes.
Aleksandra Radenovic, jefa del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la Facultad de Ingeniería, lleva años trabajando en mejorar la tecnología de nanoporos, que consiste en hacer pasar una molécula como[{” attribute=””>DNA through a tiny pore in a membrane to measure an ionic current. Scientists can determine DNA’s sequence of nucleotides – which encodes genetic information – by analyzing how each one perturbs this current as it passes through. The research was published on June 19 in the journal Nature Nanotechnology.
Currently, the passage of molecules through a nanopore and the timing of their analysis are influenced by random physical forces, and the rapid movement of molecules makes achieving high analytical accuracy challenging. Radenovic has previously addressed these issues with optical tweezers and viscous liquids. Now, a collaboration with Georg Fantner and his team in the Laboratory for Bio- and Nano-Instrumentation at EPFL has yielded the advancement she’s been looking for – with results that could go far beyond DNA.
By combining nanopore technology with scanning ion conductance microscopy for the first time, EPFL researchers have achieved near-perfect control over the manipulation of individual molecules, allowing them to be identified and characterized with unprecedented precision. Credit: Samuel Leitão / EPFL
“We have combined the sensitivity of nanopores with the precision of scanning ion conductance microscopy (SICM), allowing us to lock onto specific molecules and locations and control how fast they move. This exquisite control could help fill a big gap in the field,” Radenovic says. The researchers achieved this control using a repurposed state-of-the-art scanning ion conductance microscope, recently developed at the Lab for Bio- and Nano-Instrumentation.
Improving sensing precision by two orders of magnitude
The serendipitous collaboration between the labs was catalyzed by PhD student Samuel Leitão. His research focuses on SICM, in which variations in the ionic current flowing through a probe tip are used to produce high-resolution 3D image data. For his PhD, Leitão developed and applied SICM technology to the imaging of nanoscale cell structures, using a glass nanopore as the probe. In this new work, the team applied a SICM probe’s precision to moving molecules through a nanopore, rather than letting them diffuse through randomly.
Dubbed scanning ion conductance spectroscopy (SICS), the innovation slows molecule transit through the nanopore, allowing thousands of consecutive readings to be taken of the same molecule, and even of different locations on the molecule. The ability to control transit speed and average multiple readings of the same molecule has resulted in an increase in signal-to-noise ratio of two orders of magnitude compared to conventional methods.
Al combinar la tecnología de nanoporos con la microscopía de conductancia iónica de barrido por primera vez, los investigadores de la EPFL han logrado un control casi perfecto sobre la manipulación de moléculas individuales, lo que les permite identificarlas y caracterizarlas con una precisión absoluta. Crédito: Samuel Leitao / EPFL
“Lo que es particularmente emocionante es que esta mayor capacidad de detección con SICS puede transferirse a otros métodos de nanoporos biológicos y de estado sólido, lo que podría mejorar significativamente las aplicaciones de diagnóstico y secuenciación”, dice Leitao.
Fantner resume la lógica del enfoque con una analogía automovilística: “Imagínese ver los coches ir y venir mientras se para frente a una ventana. Es mucho más fácil leer los números de sus placas si los autos reducen la velocidad y pasan repetidamente”, dice. “También podemos decidir si queremos medir 1000 moléculas diferentes cada vez o la misma molécula 1000 veces, lo que es un verdadero cambio de paradigma en el campo”.
Esta precisión y versatilidad significa que el enfoque podría aplicarse a moléculas más allá del ADN, como los componentes básicos de proteínas llamadas péptidos, que podrían ayudar a avanzar en la proteómica, así como en la investigación biomédica y clínica.
“Encontrar una solución para secuenciar péptidos ha sido un gran desafío debido a la complejidad de sus ‘matrículas’, que consta de 20 caracteres ([{” attribute=””>amino acids) as opposed to DNA’s four nucleotides,” says Radenovic.”For me, the most exciting hope is that this new control might open an easier path ahead to peptide sequencing.”
Reference: “Spatially multiplexed single-molecule translocations through a nanopore at controlled speeds” by S. M. Leitao, V. Navikas, H. Miljkovic, B. Drake, S. Marion, G. Pistoletti Blanchet, K. Chen, S. F. Mayer, U. F. Keyser, A. Kuhn, G. E. Fantner and A. Radenovic, 19 June 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01412-4
