الکساندرا رادنوویچ، رئیس آزمایشگاه زیست‌شناسی نانومقیاس در دانشکده مهندسی، سال‌ها برای بهبود فناوری نانوحفره کار کرده است، که شامل عبور مولکولی مانند DNA از منافذ ریز در غشاء برای اندازه‌گیری جریان یونی است. دانشمندان می‌توانند توالی نوکلئوتیدهای DNA را با تجزیه و تحلیل چگونگی ایجاد اختلال در این جریان در هنگام عبور تعیین کنند.
ترکیب دو فناوری، خوانش مولکولی با نانوحفره را بهبود داد
در حال حاضر، عبور مولکول‌ها از یک نانوحفره و زمان تجزیه و تحلیل آنها تحت تأثیر نیروهای فیزیکی تصادفی است و حرکت سریع مولکول‌ها دستیابی به دقت تحلیلی بالا را چالش برانگیز می‌کند. رادنوویچ قبلاً با انبرک نوری و مایعات ویسکوز به بررسی این مسائل پرداخته است. اکنون، همکاری با گئورگ فانتنر و تیمش در آزمایشگاه ابزار دقیق زیستی و نانویی در EPFL، پیشرفتی که رادنوویچ به دنبال آن بود را محقق کرده است.
رادنوویچ می‌گوید: «ما حساسیت نانوحفره‌ها را با دقت میکروسکوپ رسانایی یونی روبشی (SICM) ترکیب کرده‌ایم که به ما این امکان را می‌دهد که روی مولکول‌ها و مکان‌های خاص متمرکز شده و سرعت حرکت آنها را کنترل کنیم. این کنترل عالی می‌تواند به پر کردن شکاف بزرگ در این زمینه کمک کند.»
محققان این کنترل را با استفاده از یک میکروسکوپ رسانایی یونی روبشی جدید که اخیراً در آزمایشگاه ابزار دقیق زیستی و نانو ساخته شده است، به دست آوردند. با ترکیب دو روش تحقیقاتی بیولوژیکی پیشرفته، محققان EPFL به کنترل تقریباً کاملی بر روی دستکاری مولکول‌های منفرد دست یافته‌اند که به آنها اجازه می‌دهد با دقت بی‌سابقه‌ای شناسایی و مشخص شوند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Spatially multiplexed single-molecule translocations through a nanopore at controlled speeds در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.
همکاری بی‌نظیر بین آزمایشگاه‌ها توسط دانشجوی دکتری ساموئل لیتائو تسریع شد. تحقیقات او بر روی SICM متمرکز است، که در آن تغییرات در جریان یونی که از طریق نوک کاوشگر عبور می‌کند، برای تولید داده‌های تصویر سه بعدی با وضوح بالا استفاده می‌شود. لیتائو برای دکتری خود، فناوری SICM را برای تصویربرداری از ساختارهای سلولی در مقیاس نانو، با استفاده از یک نانوحفره به عنوان کاوشگر، توسعه داد و به کار برد. در این کار جدید، این تیم دقت کاوشگر SICM را برای حرکت مولکول‌ها از طریق نانوحفره به‌جای انتشار تصادفی آنها به کار بردند.
این نوآوری که طیف‌سنجی رسانایی یون روبشی (SICS) نامیده می‌شود، انتقال مولکول را از طریق نانوحفره کند می‌کند و امکان هزاران قرائت متوالی از یک مولکول و حتی مکان‌های مختلف روی مولکول را فراهم می‌کند. توانایی کنترل سرعت انتقال و میانگین خوانش‌های چندگانه از یک مولکول منجر به افزایش دو برابری سیگنال به نویز نسبت به روش‌های معمولی شده است.
لیتائو می‌گوید: «آنچه که به‌ویژه هیجان‌انگیز است این است که این قابلیت تشخیص افزایش‌یافته با SICS ممکن است به سایر روش‌های حالت جامد و نانوحفره‌های بیولوژیکی قابل انتقال باشد که می‌تواند کاربردهای تشخیصی و توالی‌یابی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.»
فانتنر منطق این رویکرد را با یک قیاس خودرویی تشریح می‌کند: «تصور کنید در حال تماشای خودروها هستید که جلو و عقب می‌روند و در مقابل پنجره ایستاده‌اید. اگر سرعت خودروها کاهش یابد، خواندن شماره پلاک آنها بسیار آسان‌تر است.»
