nanoporos con aplicaciones genómicas y protéomicas
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Nanoporos con aplicaciones genmicas y protomicas
Rodrguez, M & Vega, R.
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Nanoporos con aplicaciones genmicas y protomicas
Elaborado por Massiel Rodrguez
Estudiante de la Carrera de Qumica Industrial
Curso de Nanotecnologa
Carrera de Qumica IndustrialUniversidad Nacional
Profesor del curso
Dr. Jos Roberto Vega Baudrit
Catedrtico, Universidad Nacional
Coordinador Red NanoUNA, Universidad Nacional
Director del Laboratorio Nacional de Nanotecnologa LANOTEC-CeNAT-CONARE
Resumen
La nanobiotecnologa ha desarrollado la tecnologa de nanoporos la cual
emplea un agujero a nanoescala en una membrana aislante con un alto rendimiento
de molculas individuales en solucin. Los nanoporos estn abordando a una ampliagama de investigaciones dentro de las cuales destacan las implicaciones genmicas y
protomicas abarcando desde anlisis de la estructura, biosensores, y caracterizacin
vinculante. La siguiente revisin presenta un aborde de los nanoporos, desde su
descripcin y distintos tipos como nanoporos biolgico, nanoporos en estado slido y
nanoporos hbridos, as como diferentes aplicaciones; dentro de estas aplicaciones se
destacan los biosensores estocsticos con nanoporos, y muchas aplicaciones en el
campo de la medicina tales como poros biolgicos para el tratamiento del cncer,
poros biolgicos para la entrega de las macromolculas en las clulas, deteccin de
nanoporos basados en polinucletidos, uso de nanoporos para sondear la carga
superficial y el valor de pH cerca de las membranas lipdicas, uso de las grabaciones
en nanoporos para supervisar la actividad enzimtica, deteccin de polipptidosbasados en nanoporos y secuenciacin del ADN usando nanoporos.Palabras clave: Nanobiotecnologa, nanoporos, biosensores, polinucletidos.
Introduccin
La biotecnologa utiliza ensambladores disponibles en las clulas vivas para construir miles de
molculas diseadas a medida segn las especificaciones atmicas, como la construccin de
nuevas ensambladoras. El principal obstculo que ha tenido la biotecnologa ha sido la falta de
conocimientos bsicos de los procesos y mecanismos biomoleculares. Se nos ha dado una increble
caja de herramientas de la maquinaria molecular, y slo ahora se empieza a aprender cmo usarla.
(1)
La biotecnologa ha crecido y sigue creciendo, con cada nuevo descubrimiento en la biologamolecular. Nuevas investigaciones sobre la biologa viral han permitido mejorar los vectores para
la entrega de nuevo material gentico, una explosin de enzimas para recorte, edicin, ligando, y
la copia de ADN, as como las tcnicas eficaces para la sntesis qumica de ADN, ha permitido la
creacin de nuevos construcciones genticas complicadas. Las bacterias modificadas ahora crean
grandes cantidades de protenas naturales de uso medicinal, protenas mutadas para la
investigacin, protenas quimricas hbridas para aplicaciones especializadas y protenas
completamente nuevas, si un investigador se atreve a disear una protena a partir de cero. (1)
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1. NanobiotecnologaEn busca de mejorar los aportes realizados y buscar nuevos descubrimientos surge la
nanobiotecnologa, corresponde al uso de la biotecnologa a escala nano. Dentro de la
nanobiotecnologa se ha desarrollado la tecnologa de nanoporos la cual emplea un agujero ananoescala en una membrana aislante con un alto rendimiento de molculas individuales en
solucin. (1)
La generalidad del principio de deteccin de nanoporos y la facilidad de deteccin de la molcula
individual sugiere muchas aplicaciones potenciales de nanoporos en la biotecnologa. Se han
hecho progresos recientes con fabricacin de nanoporos y sofisticacin, as como aplicaciones en
el mapeo de ADN/protena, anlisis de la estructura biomolecular, deteccin de la protena, y la
secuenciacin del ADN. Adems, los conceptos para dispositivos de secuenciacin del ADN se han
sugerido, y se han hecho esfuerzos computacionales. El estado del campo de los nanoporos est
madurando, teniendo en cuenta el tipo de condiciones y funcionamiento de nanoporos, casi todas
las aplicaciones podran revolucionar la medicina en trminos de velocidad, costo y calidad. (2)
2. NanoporosLos nanoporos se producen en la naturaleza, y en la literatura biolgica se conocen simplemente
como poros cuando son ms de 1nm o menos de dimetro o canales cuando son ms estrechos.
Las clulas tambin contienen poros solubles, tales como chaperoninas y enzimas que manejan los
cidos nucleicos, que pueden ser de inters en el futuro en el contexto de la catlisis de ingeniera
en nanoporos. Los nanoporos de transmembrana se encuentran en todas las clulas vivas, su
funcin natural es la creacin de conductos para cruzar material a travs de la pared celular y las
paredes de organelas intracelulares. (3) Estos componentes celulares son de gran importancia
para la funcin celular y la vida. Una clase de poros permiten que las clulas mantengan diferentes
concentraciones internas de solutos desde el medio ambiente exterior, 2 mantener su equilibrio
osmtico y la estabilizacin de su volumen. (4) El correcto funcionamiento de estos poros estambin de vital importancia para ambas clulas individuales y de todo el organismo.
Por ejemplo, los miocitos cardacos utilizan poros de potasio y sodio que son integrales para
mantener el ritmo de las contracciones de la clula muscular. (5) Los virus pueden inyectar su
informacin gentica a travs de un nanoporo en las clulas del husped para replicar an ms, y
las bacterias pueden producir poros de toxinas utilizadas para lisar las clulas para sus nutrientes
intracelulares. (6) Estos poros cada uno han evolucionado a lo largo de un gran nmero de
generaciones, tienen diversas estructuras qumicas que les permiten alcanzar sus tareas
especficas.
El anlisis de protenas usando nanoporos se pueden clasificar en las siguientes grandes reas de
investigacin: anlisis de la estructura, biosensores, y caracterizacin vinculante. Los experimentos
con Biosensores se llevan a cabo mediante el diseo de un poro que se adapta con un sitio deunin especfico capaz de mantener la protena analito dentro del poro. La caracterstica de unin
se lleva a cabo mediante el clculo de constantes de velocidad de unin y el tiempo de vida media.
(7) La motivacin de estos estudios incluyen aplicaciones en la ingeniera de protenas, la ciencia
farmacutica, y biosensores (deteccin de enfermedades - biomarcadores). (8)
Otro campo en el que la tecnologa de nanoporos se ha introducido es la ultrafiltracin. La
capacidad de fabricar matrices ordenadas de nanoporos en las membranas ultrafinas ha hecho
posible el desarrollo de dispositivos de separacin molecular altamente eficientes.
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La selectividad de tales dispositivos se puede adaptar para aplicaciones especficas de la
modificacin de la superficie qumica o mediante la modificacin de la capa alrededor de los
poros utilizando incrustado de electrodos. (9)(10) La selectividad de tales membranas es ms o
menos un orden de magnitud mayor que la dilisis convencional de membranas. (11) Se investiga
la cintica de la digestin enzimtica directa de molculas de ADN nicas atrapadas por
exonucleasa usando una membrana de almina nanoporosa, elaborado a travs de la modificacinelectroqumica (anodizacin) de almina de alta pureza.
2.1.Tipos de nanoporosLos nanoporos se clasifican en tres clases: 1. poros biolgicos incrustados en una bicapa lipdica;
2. nanoporos sintticos fabricados en sustratos slidos, tales como Si3N4, Al2O3, TiO2, y el grafeno,
y 3. hbrido de nanoporos biolgicos y sintticos. (12)
2.1.1. Nanoporos biolgicosA travs de los aos, los canales relativamente grandes en comparacin con los canales inicos se
han explorado para los fines de deteccin de nanoporos. El sustrato de eleccin para todos losporos biolgicos son membranas lquidas, liposomas o membranas de polmero alojado en el
interior de una cmara electroqumica. La produccin a gran escala y purificacin de diversas
protenas de los canales son posibles mediante el empleo de tcnicas estndar de biologa
molecular. En la mayora de los casos, los poros de los canales purificados son homogneos a
partir de diferentes lotes. Adems, la ingeniera explcita de los poros de los canales a travs de
mutagnesis directa es posible debido a la estructura de cristal disponible, de varias protenas del
canal. (12)
2.1.2. Nanoporos en estado slido sintticoLos nanoporos en estado slido se han convertido en una alternativa verstil a nanoporos
biolgicos debido a sus propiedades nicas, incluyendo geometras y dimensiones bien definidas,
robustez mecnica, facilidad de modificaciones, y la compatibilidad con varias tcnicas demedicin electrnica u ptica. En general, los nanoporos de estado slido en los materiales
dielctricos, como SiN, presentan estabilidad qumica y trmica sobre las membranas lipdicas. Sin
embargo, su estabilidad es dependiente de las condiciones utilizadas para formar estos poros. (13)
En cuanto a nanoporos basados en grafeno, a pesar de su estabilidad qumica y trmica no se ha
demostrado de manera concluyente, (14) sus propiedades elctricas nicas son una gran ventaja
sobre los homlogos biolgicos. En los ltimos aos, los nanoporos en estado slido han abierto la
puerta a una amplia gama de aplicaciones potenciales en la secuenciacin del ADN, interacciones
de protena, el control de transporte molecular, y la fabricacin de dispositivos nanofludicos. (15)
2.1.3. Nanoporos hbridosEl concepto de poros hbridos se demostr mediante la insercin del canal de hemolisina en los
poros de SiN. (16) La hemolisina posee una estructura de precisin atmica y el potencial para la
ingeniera gentica especfica del sitio o modificaciones qumicas. La hemolisina se basa en una
frgil membrana de bicapa lipdica de soporte mecnico, lo que limita en gran medida su
integracin en dispositivos. Pero esta limitacin se elude mediante la colocacin de un poro
biolgico dentro de un nanoporo de estado slido mecnicamente robusto creando de ese modo
un poro hbrido con ventajas de ambos.
El sistema hbrido se demuestra estable durante varios das bajo observacin. (16) Sin embargo, el
poro biolgico se deforma una vez en contacto con el poro de estado slido, pierde la capacidad
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de discriminar nucletidos individuales y las corrientes de fuga son significativas, los iones pueden
fluir a travs de las regiones entre el poro de estado slido y biolgico debido a un sellado
imperfecto. Estos factores limitan esta tecnologa. Un enfoque interesante y novedoso es la
insercin de las estructuras origami 3D de ADN en un nanoporo de SiN cnico reproducible y bajo
condiciones controladas. (17)
a) b)
Figura 1. a) Translocacin de AND a travs de un nanoporo hibrido. b) Representacin esquemtica de la insercin de un
origami nanoporo de ADN dentro de un nanoporo en estado slido.
Los nanoporos tambin se clasifican de acuerdo al tamao de su dimetro, como se muestra en la
siguiente figura, (a) paquete hlice en forma de una protena. (b) Una sola subunidad de la porina
trimrica OmpF (dimetro interior 2nm). (c) El poro -hemolisina (dimetro interior del canal 2
nm). (d) formada a partir de nanotubos de pptidos cclicos apilados (dimetro interior 0.75 nm).
(e) canal sinttico basado en las duelas de octifenil con pptidos adjuntos (dimetro interior 1.5
nm). (f) Micrografa electrnica de nanotubos de slice realizados en una plantilla de almina
porosa (dimetro interior 20 nm). (g) Micrografa electrnica de un nanoporos en nitruro de silicio
esculpido con un haz de iones de Ar (dimetro interior 2 nm). (18)
Figura 2. Ejemplos de diferentes clases de nanoporos (18)
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La construccin de un poro o canal biomimtico puede servir como un andamio para su posterior
modificacin artificial. Se tiene en cuenta que la denominacin de los poros/canales simplemente
reflejan la relacin de aspecto de la va de paso, un poro tiene un dimetro mayor que su
profundidad y un canal tiene una profundidad mucho mayor que su dimetro. Utilizando diversas
tecnologas de fabricacin, los nanoporos o canales se pueden obtener en una variedad de
diferentes formas y estructuras. Por ejemplo, los nanocanales pueden hacerse mediante litografaplana sencilla, pero tambin por grabado inico, lo que permite un control preciso del dimetro
del poro. En este ltimo caso, un solo ion de un metal pesado de un ciclotrn es disparado a travs
de una pelcula polimrica de espesor, seguido por ataque qumico hmedo, el cual elimina el
material daado ms rpido que el material sin daos, lo que resulta en un nanocanal cnico con
un dimetro de hasta 2nm. (19) De manera similar las membranas, con mltiples canales que van
en tamao desde 10nm a 10mm y densidad de 105 a 109 poros/cm2, los poros comercialmente
disponibles han demostrado ser tiles como biosensores de una sola molcula, por ejemplo, para
la deteccin de ADN, ARN, protenas, nanotubos de carbono, o las estructuras de protenas locales
a lo largo del ADN. (20)(21)
Un esquema qumico que se utiliza a menudo en el caso de membranas polimricas consiste en
recubrir la membrana con una capa de oro a travs de electrodeposicin, seguido por lafuncionalizacin a travs de la qumica de tiol. (22) Aunque este enfoque tambin es aplicable a la
slice o a las membranas de almina, las membranas polimricas tambin pueden hacerse
reaccionar directamente con silanos funcionalizados (23), lo que reduce el nmero de
tratamientos qumicos necesarios.
Figura 3. Biologa funcional de nanoporos. (a). Un nanoporo lpido sinttico recubierto (amarillo) en el sustrato Ansin
(gris) (24) (b) Seccin transversal de una membrana con una serie de nanoporos injertados con PNIPAM (25). (c) Vista
lateral de un nanoporos en estado slido funcionalizado con molculas de horquilla de ADN. (26) (d) Vista superior de
los dedos de zinc (verde) inmovilizado en un nanocanal. (27).
3. Aplicaciones de Nanoporos
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La siguiente tabla muestra distintas funciones de los nanoporos y su importante aporte al
desarrollo fisiolgico. (28)
Tabla 1. Funciones fisiolgicas de nanoporos biolgicos
Poro Funcin
Los pptidos antimicrobianos La lisis de las clulas microbianas; perturbacin de la
homeostasis de iones intracelulares, el transporte
de las protenas en las clulas diana.
Porinas Transporte de molculas solubles en agua a travs
de membranas de bacterias u orgnulos.
Aquaporinas Rpido transporte de agua a travs de membranas
lipdicas.
Complejo membrana- ataque La lisis de las clulas patgenas como un mecanismo
de defensa del sistema inmune innato.
Canal inico de protenas Transporte de iones a travs de membranas, la
regulacin del potencial de membrana,
transduccin de la seal y amplificacin, elmantenimiento de la homeostasis celular de las
concentraciones de iones.
Complejos de poros nucleares Transporte de nucletidos, protenas, y otras
molculas a travs de la envoltura nuclear.
Translocacin de protenas a travs de poros
del retculo endoplasmtico
Transporte de Protenas a Travs de la membrana
del endoplstico reticular.
Poros virales Transporte postulado de nucleocpsidos por
ejemplo virus del herpes simple (HSV) a travs de la
membrana nuclear.
Poros amiloide Funcin aberrante de las protenas amiloidognicas,
posiblemente implicado en la va patognica de las
enfermedades amiloidognicas.
3.1.Biosensores estocsticos con nanoporosLa modulacin de la corriente inica a travs de canales de protenas, como resultado de
estmulos biofsicos o qumicos externos, ha afectado profundamente a la ciencia de una sola
molcula y a los biosensores. Los biosensores estocsticos son una clase de detectores de una sola
molcula que se basa en la alteracin de la corriente elctrica por los analitos distintos que
interactan de forma transitoria o permanente con un grupo de reconocimiento funcional situado
dentro de un nanoporo. (29) El grupo de reconocimiento est diseado estratgicamente dentro
del lumen del poro de un canal de protena slida (Figura 3). Cada interaccin transitoria de un
solo analito con el grupo de reconocimiento genera un bloqueo de corriente, la duracin de la cualdepende de la fuerza de la interaccin entre el analito y el grupo reactivo (Figura 3b). (30)(31) Este
bloqueo actual se produce como resultado de la obstruccin del flujo inico de nanoporos
mediada por el analito. Por lo tanto, la dispersin de un analito en el lumen del nanoporo se
sondea por la tcnica de pulso - resistivo en tiempo real. Vale la pena mencionar que las tcnicas
de electrofisiologa, que hoy se emplean ampliamente en examinar el transporte de biopolmeros
a travs de nanoporos, se han utilizado anteriormente para la investigacin de los mecanismos de
translocacin de protenas. (32)
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Los biosensores estocsticos se han empleado para la deteccin no slo de las molculas
pequeas, sino tambin de biopolmeros largos.
Figura 5. Principio de deteccin estocstica de una molcula. Un poro en la protena transmembrana facilita el
transporte de los iones pequeos de una membrana lipdica aislante. (a) Cuando se aplica un voltaje de polarizacin, se
registra una corriente elctrica de un solo canal. (b) Los analitos aadidos, interactan de forma no covalente con el
grupo reactivo funcional situado dentro del lumen del poro, produciendo bloqueos transitorios de corriente de un solo
canal, la naturaleza de la cual depende de la fuerza de la interaccin entre las molculas de analito y el grupo reactivo.
3.2.Aplicaciones de poros biolgicos en nanomedicinaEn campo de la nanomedicina se aplica la nanotecnologa para abordar los desafos de relevanciamdica. Los nanoporos biolgicos atraen cada vez ms atencin a las aplicaciones en
nanomedicina, estas aplicaciones incluyen el tratamiento del cncer, el desarrollo de frmacos
antimicrobianos, y la administracin de frmacos. (33)(34)(35)
3.2.1. Poros biolgicos para el tratamiento del cncerLos enfoques actuales para el tratamiento del cncer, incluyendo la radiacin y la quimioterapia,
se enfrentan a obstculos tales como la metstasis tumoral y la resistencia. (33) Adems, los
efectos secundarios de estos enfoques teraputicos tienen el inconveniente de daar las clulas
sanas cuando se administran en dosis eficaces. (33)(36) Las estrategias teraputicas con mayor
especificidad y eficacia, as como la reduccin de la toxicidad siguen siendo buscadas. Una
estrategia potencial es la aplicacin de pptidos formadores de poros antimicrobianos para matar
las clulas cancerosas. La citotoxicidad de estos pptidos se ejerce ya sea a travs de la formacin
de poros en la membrana citoltica de las clulas cancerosas especficas, este mecanismo requiere
altas concentraciones del pptido. (37)
3.3.Poros biolgicos para la entrega de las macromolculas en las clulasLos poros biolgicos son atractivos para la mediacin del transporte de diversas molculas tales
como agentes teraputicos en las clulas. (33)(38) Cruzar la membrana plasmtica es uno de los
mayores desafos para la entrega de muchas molculas teraputicas, incluyendo frmacos polares
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o cargados, protenas o cidos nucleicos en las clulas. Debido a su capacidad inherente para
permeabilizar la membrana plasmtica de las clulas, los pptidos formadores de poros y
protenas pueden facilitar la entrega teraputica en el citosol. Uno de los poros biolgicos que se
ha aplicado para la entrega de macromolculas es la gramicidina pptido antibitico. En este caso,
el empleo de un complejo de gramicidina - lpido - ADN hace posible la entrega de un plsmido de
ADN de una variedad de clulas de mamfero en cultivo incluyendo las clulas de pulmn humano.(39) Estudios han explorado la aplicacin de un poro biolgico, listeriolysinO (LLO), a partir de los
patgenos de bacteria Listeria monocytogenes, como un vehculo de entrega de macromolculas
tales como protenas en las clulas, tanto in vitro como in vivo(40). Estos estudios indican que una
concentracin relativamente alta de protones (rango de pH de 4.9 a 6.7) provoca la insercin en la
membrana y la actividad de formacin de poros de LLO. Demostrando que la encapsulacin de LLO
dentro de liposomas sensibles al pH, junto con otras molculas para ser entregados, permite la
liberacin citoslica de molculas de carga tales como antgenos. Otro estudio reciente emple
estos liposomas LLO como un sistema de administracin de vacunas eficaces. En este caso, los
liposomas que llevan a una protena antignica viral para generar la inmunidad antiviral protectora
(40) (41). La administracin dirigida de antgenos para la generacin de la inmunidad antiviral
protectora tambin se ha logrado con la toxina del ntrax (42); se emplea esta toxina paraentregar una porcin del virus de la inmunodeficiencia humana -1 (VIH -1) protena de la envoltura
al citosol de las clulas vivas (42).
3.4.Deteccin de nanoporos basados en polinucletidosLa secuenciacin basada en el uso de nanoporos, los biopolmeros ms estudiados en nanoporos
biolgicos son el cido desoxirribonucleico (ADN) y cido ribonucleico (ARN). Se ha propuesto que
las hebras de ADN o ARN podran ser impulsados por electroforesis a travs de un poro pequeo, y
las fluctuaciones de corriente resultantes podran permitir la secuenciacin en tiempo real de
polinucletidos. (43)(44) El uso de una hemolisina, ha demostraron que el ADN monocatenario
(ssDNA) y RNA podra ser detectado al pasar a travs de un poro [224]. En un paso hacia la
secuenciacin capaz de distinguir diferentes homopolmeros de poli-ADN y ARN de poli-(es decir,
poli -A a partir de poli -C), as como la transicin a partir de poli -A a poli -C ARN dentro de un
dibloque de polmero. (45)(46)
Explorado la translocacin de ADN bicatenario (dsDNA) a travs de una porina mitocondrial, el
canal de aniones dependiente de voltaje llamado (VDAC), y a travs de bicapas que contienen
canales inicos a partir de Bacillus subtilis. (47) El tamao de estos canales inicos y su carcter
dependiente de voltaje, lo hacen poco prcticos para aplicaciones de secuenciacin. Si bien estos
primeros estudios demostraron que las hebras largas de ADN y ARN pueden ser accionados
linealmente a travs de los poros biolgicos, tambin se revelan varios retos para lograr
secuenciacin rpida de ADN mediante sistemas de deteccin de pulso- resistivo.
3.5.Uso de nanoporos para sondear la carga superficial y el valor de pH cerca de lasmembranas lipdicas
Para los pptidos antibiticos ms naturales, la cintica de la formacin de poros y la conductancia
de un solo canal dependen de las propiedades de la membrana diana. Entre estas propiedades
incluyen la carga de la superficie o la elasticidad de la membrana. Como resultado, los pptidos
formadores de poros tienen el potencial de servir como sensores para las propiedades de su
entorno lipdico. Por ejemplo, la carga superficial de la membrana lipdica que rodea un poro
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puede influir en su conductancia inica. (48) En este escenario, la presencia de cargas elctricas en
la membrana lipdica conduce a una acumulacin de contra-iones cerca de la entrada del poro.
Este efecto es particularmente pronunciado a bajas fuerzas inicas y dependiendo de la
selectividad de poro y la carga de iones acumulados, este efecto puede aumentar o disminuir la
conductancia del canal. (48)
Estos aportes cientficos, demuestran investigaciones en el efecto de la carga en la superficie de lamembrana de la conductancia de canales de gramicidina y demostraron que a baja fuerza inica,
la conductancia de los poros de gramicidina embebidos en una membrana cargada negativamente
fue significativamente mayor que la conductancia de poros gramicidina incrustados en una
membrana compuesta de neutro lpidos. (48)
3.6.Uso de las grabaciones en nanoporos para supervisar la actividad enzimticaUna novedosa aplicacin de pptidos formadores de poros y protenas en nanobiotecnologa es
para detectar y monitorizar la actividad de enzimas in situ. Las actividades enzimticas pueden ser
indicativos de la funcin celular normal o anormal y se utilizan a menudo con fines de diagnstico.
(49) Por ejemplo, la actividad de la fosfatasa alcalina en el suero puede indicar una enfermedaddel hgado. (49) Los mtodos sensibles para detectar la actividad enzimtica son, por lo tanto,
importantes para muchos ensayos clnicos y para elucidar el papel de estas protenas en las redes
bioqumicas complejas. Mientras que muchos de los estudios actuales sobre las enzimas requieren
un etiquetado del sustrato (por ejemplo, con etiquetas fluorescentes), ensayos de iones basados
en canales ofrecen alta sensibilidad, as como mediciones rpidas y experimentos bien controlados
que no requieren etiquetado de sustrato.
3.7.Deteccin de polipptidos basados en nanoporosEl transporte de polipptidos es ms complejo que el transporte de polmeros uniformes y
polinucletidos, debido a la gran variedad de cadenas laterales de aminocidos, que pueden
presentar cargas positivas, cargas negativas, residuos neutros, o hidrfobos. (50) Para resolver el
efecto de estos residuos en la translocacin de polipptidos a travs de los poros de protenas,
varios grupos han realizado investigaciones sistemticas con los poros y polipptidos que
contienen segmentos de estos residuos. Se ha investigado la interaccin de los polipptidos
catinicos en una hemolisina. En estos experimentos, el aumento de tensin y la disminucin de
longitud del pptido prolongaron la duracin de la interaccin entre el lumen del poro y el
pptido. (51)
Por otro lado tambin se ha detectado que las cargas superficiales en el lumen de los poros de
hemolisina pueden resultar en trampas electrostticas que reducen la energa libre de la
translocacin de pptidos catinicos. (52) Y se demostr que la unin de un polipptido corto con
residuos cargados positivamente a una protena grande puede capturar selectivamente la protena
en la entrada de una modificacin de un poro de hemolisina con residuos de carga negativa en sulumen (Figura 6a). (53)
Con respecto a la translocacin de los pptidos naturales, se ha determinado recientemente que
el poro PA7 requiere una regin enriquecida en fenilalanina para facilitar la translocacin del
factor letal ntrax a travs de las membranas, estos residuos de fenilalanina interactan con las
regiones hidrofbicas del factor letal ntrax con el fin de desnaturalizar la protena chaperona de
una manera similar a la vez que facilita la translocacin del factor letal ntrax a travs de PA7. (54)
Figura 6b ilustra cmo un desplegado de una protena puede permitir su translocacin a travs de
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un poro. (55) Como apoyo de esta hiptesis, investigadores demostraron que la protena Hpr que
contiene histidina de Escherichia coli se desarrolla a medida que se transloca a travs de -
hemolisina y poros de aerolisina. Tambin demostraron que las mutaciones de aminocidos
individuales pueden cambiar dramticamente la magnitud y la duracin de la obstruccin de
corriente resultante. Estos resultados enfatizan la importancia de las interacciones entre los
aminocidos dentro de los poros y la protena transmembrana. (56)
Figura 6. Concepto de trampas para capturar protenas electrostticas en los poros biolgicos, as como la investigacin
del desarrollo de una protena durante la translocacin. (a) los residuos cargados negativamente en el lumen de los
poros de -hemolisina pueden capturar polipptidos que estn cargados positivamente. Este efecto se puede utilizar
para la captura selectiva de una protena grande en la entrada de un poro. (b) la ilustra el concepto de despliegue de una
protena en la entrada de un poro antes de la translocacin a travs del poro. El replegamiento de la protena al otro
lado del poro puede completar el proceso.
3.8.Secuenciacin del ADN usando nanoporosGran parte del crecimiento del campo en nanoporos pueden atribuirse a sus perspectivas
fascinantes como plataformas de secuenciacin de ADN. En la figura 7 se destacan dos de las
direcciones actuales de secuenciacin de ADN basada en nanoporos. La figura 7a muestra dos
esquemas para la lectura electrnica de una secuencia de ADN mediante la deteccin electrnica
transversal. La primera imagen, muestra la translocacin del ADN a travs de un poro de grafeno
mientras se pasan los electrones a travs de la cinta de grafeno. (57)(58) En este caso, la seal de
corriente a travs de la cinta se ve afectada por la identidad de la base; en el segundo caso, el ADN
se pas a travs de una separacin de los electrodos y corrientes de tnel. (59)(60)(61) La figura
7b muestra la secuenciacin de ADN basada en OPTIPORE, que se basa en la deteccin ptica de
fluorforos en nanoporos. En este esquema, una molcula de ADN que va a ser secuenciado se
convierte primero en una secuencia ms grande y se hibrid con sondas indicadoras. A
continuacin, los constructos se descomprimen usando una matriz de nanoporos montada en un
microscopio de fluorescencia inteligentemente diseado (62), y cada vez que un reportero se
elimina de la secuencia, que emite fotones del color que corresponde a la identidad del reportero.
La secuencia de las cuatro bases ya se ha medido usando el dispositivo (63). Aunque los pasos de
conversin de base son algo tediosos, se pueden realizar en paralelo para muchas secuencias.
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Figura 7. Secuenciacin de AND usando nanoporos.
4. ConclusionesEl campo de los nanoporos contina entregando nuevos e interesantes tipos de poros e ideas
biotecnolgicas. Los materiales basados en origami y otros materiales programables para el
desarrollo de poros pueden ser de gran ayuda para la aplicacin de estructuras de poro, as como
el acoplamiento de poros hbridos capaces de realizar la deteccin de cualquier especie
biomolecular. Los nanoporos han desempeado un muy importante papel en el campo de la
medicina, realizando aportes para el tratamiento y diagnstico de enfermedades, como el
tratamiento del cncer, el desarrollo de frmacos antimicrobianos, la administracin de frmacos
y ppticos como formadores de poros. Por ltimo, la secuenciacin de ADN basada en nanoporos
puede revolucionar la salud por lo que permite secuenciar genomas adecuadamente. Los
adelantos de estas tecnologas a buen trmino en los prximos aos, sin duda, influir la medicina
personalizada y la deteccin/ tratamiento precoz de enfermedades genticas.
Por otro lado a pesar de la complejidad de los experimentos y complicaciones inherentes, queprevn que el acoplamiento de nanoporos con otras plataformas pticas o de fluorescencia
proporciona informacin crucial en el proceso de translocacin, dando lugar a una mejor
comprensin de cmo las protenas se someten a transiciones conformacionales cuando
atraviesan el poro. Esto se debe a la translocacin y despliegue de una protena a travs de un
nico nanoporo relacionado con el proceso. Estos esfuerzos ayudarn a proporcionar una
evaluacin cuantitativa y comprensin del despliegue del poro, que es ms inmediatamente
pertinente para la importacin de protenas in vivo. Indudablemente estos esfuerzos
experimentales inspiran nuevas teoras y estudios computacionales sobre la dinmica de las
protenas a travs de nanoporos.
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