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Einzelmoleküle in Nanolitern Blut in Echtzeit messen

Giovanni Maglia, University of Groningen

Ein Nanopore-Gerät kann verschiedene Bindungsproteine enthalten. Sobald sie sich in der Pore befinden, fungieren sie als Transducer, um spezifische kleine Moleküle in einer Probe von Körperflüssigkeit zu identifizieren.

09.10.2018: Wissenschaftler der Universität Groningen haben unter der Leitung des außerordentlichen Professors für Chemische Biologie Giovanni Maglia ein Nanoporensystem entwickelt, das in der Lage ist, verschiedene Metaboliten gleichzeitig in einer Vielzahl von biologischen Flüssigkeiten innerhalb von Sekunden zu messen. Das elektrische Ausgangssignal lässt sich problemlos in elektronische Geräte zur Hausdiagnose integrieren.

Die Messung vieler Metaboliten oder Medikamente im Körper ist kompliziert und zeitaufwendig, und eine Echtzeitüberwachung ist in der Regel nicht möglich. Die Ionenströme, die durch einzelne Nanoporen fließen, entwickeln sich zu einer vielversprechenden Alternative zur biochemischen Standardanalyse. Nanoporen sind bereits in tragbare Geräte integriert, um DNA-Sequenzen zu bestimmen. Aber es ist grundsätzlich unmöglich, mit diesen Nanoporen kleine Moleküle in einer komplexen biologischen Probe gezielt zu identifizieren", sagt Maglia.

Wandler

Vor einem Jahr zeigte Maglia, wie man Nanoporen verwendet, um die "Fingerabdrücke" von Proteinen und Peptiden zu identifizieren und sogar Polypeptide zu unterscheiden, die sich durch eine Aminosäure unterscheiden. Jetzt hat er dieses System angepasst, um kleine Moleküle in biologischen Flüssigkeiten zu identifizieren. Dazu verwendete er eine größere zylindrisch geformte Nanopore, der er Substrat-bindende Proteine hinzufügte. Bakterien stellen Hunderte dieser Proteine her, um Substrate zu binden und sie in die Zellen zu transportieren. Diese Proteine haben Besonderheiten, die sich über Milliarden von Jahren entwickelt haben.

Maglia passt die Bindungsproteine so an, dass sie in die Nanopore passen. Bindet ein Protein dann an sein Substrat, ändert es seine Konformation. Dies wiederum ändert den Strom, der durch die Pore fließt. Wir verwenden das Bindungsprotein als elektrischen Wandler, um die einzelnen Moleküle des Substrats zu erkennen", erklärt Maglia. Die Poren können in ein Standardgerät integriert werden, das den Strom von Hunderten von einzelnen Poren gleichzeitig analysiert. Zu diesem Zweck arbeiten die Wissenschaftler mit Oxford Nanopores zusammen, dem Weltmarktführer in dieser Art von Technologie.

Blut, Schweiß und Urin

Durch die Zugabe von zwei verschiedenen substratbindenden Proteinen, die spezifisch für Glukose und die Aminosäure Asparagin sind, konnte Maglia aus einem Bruchteil eines einzigen Bluttropfens in weniger als einer Minute einen Messwert für beide erhalten. Es sind Echtzeit-Glukosesensoren verfügbar, aber die Asparaginanalyse dauert normalerweise Tage", sagt er. Maglia's Methode funktioniert mit Blut, Schweiß, Urin oder jeder anderen Körperflüssigkeit, ohne dass eine Probenvorbereitung erforderlich ist. Die substratbindenden Proteine befinden sich auf der einen Seite der Membran und die Probe auf der anderen. Da die Poren sehr eng sind, erfolgt die Vermischung nur innerhalb der Nanopore, so dass das System kontinuierlich arbeiten kann", erklärt er.

Die Herausforderung besteht nun darin, geeignete Bindungsproteine für mehr Substrate, einschließlich Medikamente, zu identifizieren. Maglias Gruppe hat bisher zehn gefunden. Aber sie müssen auf die Arbeit mit der Pore abgestimmt werden. Und im Moment verstehen wir den Mechanismus dafür nicht wirklich, so dass die Suche nach den richtigen Proteinen eine Frage von Trial-and-Error ist", sagt er. Maglia sucht nach Möglichkeiten, ein Unternehmen zu gründen, das diese Bindungsproteine bereitstellt. Wenn wir ein System mit Proteinen schaffen können, die für Hunderte von verschiedenen Metaboliten spezifisch sind, werden wir eine wirklich bahnbrechende neue Technologie für die medizinische Diagnostik geschaffen haben".

Originalveröffentlichung:
Nicole Stéphanie Galenkamp, Misha Soskine, Jos Hermans, Carsten Wloka & Giovanni Maglia; "Direct electrical quantification of glucose and asparagine from bodily fluids using nanopores"; Nature Comm.; 2018

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