Твердотельные нанопоры для исследования ионного транспорта и детектирования одиночных биомолекул

Компания Oxford Nanopore совершила революцию в генетических технологиях, разработав компактный прибор размером чуть больше флешки для чтения (секвенирования) длинных молекул ДНК. Процесс чтения заключается в том, что молекула ДНК проходит через специальную белковую нанопору, а величина ионного тока через пору определяется тем, какой нуклеотид в данный момент находится в ней. Недостатком метода является то, что белковые нанопоры дороги в производстве, крайне не долговечны и требуют особых условий хранения. Для этого исследователи по всему миру занимаются разработкой и изучением твердотельных нанопор, которые представляют собой наноразмерные отверстия в тонкой непроницаемой мембране из нитрида кремния  или других двумерных материалов. И хотя на сегодняшний день твердотельные нанопоры не подходят для секвенирования молекул ДНК, они могут использоваться в качестве чувствительных элементов биосенсоров, обладающих одномолекулярной чувствительностью.

В общем случае, нанопоровый сенсор представляет собой тонкую непроницаемую мембрану с интегрированной одиночной наноразмерной порой, которая соединяет два независимых объема буферного раствора электролита. Процесс детектирования заключается в модуляции электропроводности поры проходящими через её внутренний объем молекулами анализируемого вещества. Величина и длительность изменения проводимости поры (процесса транслокации) зависит от размера, заряда, жесткости и конформационных свойств исследуемой молекулы. Таким образом, измерение ионного тока, протекающего через нанопору, позволяет детектировать, идентифицировать и анализировать молекулярных соединения в сверхмалых концентрациях.

Основной целью данного проекта является изучение и анализ транспортных свойств твердотельных нанопор. Мы расскажем вам о физике и химии процессов ионного транспорта через наноразмерные поры и каналы. Реализовав наш проект Вы научитесь разрабатывать кремниевые чипы с мембранами SiNx толщиной несколько десятков нм, формировать в них наноразмерные поры, измерять ионный ток в нанопорах и детектировать прохождение сквозь нанопоры одиночных молекул белков и ДНК.

Проект включает в себя следующие этапы:

• Синтез подвешенных мембран SiNx, включающий в себя этапы литографии и постобработки;
• Электронная и оптическая микроскопия полученных наноструктур;
• Разработка модели и изготовление электрохимических ячеек для исследования ионного транспорта в нанопорах;
• Расчет и подготовка необходимых реагентов и растворов для исследования;
• Характеризация полученных нанопор электрохимическими методами;
• Исследование транспорта единичных биологических молекул (ДНК, глобулярные белки) через нанопору;
• Обработка результатов эксперимента/подготовка презентации проекта.