ナノポア

ナノポアは、ナノメートルサイズの細孔です。たとえば、細孔形成タンパク質によって生成される場合もあれば、シリコンやグラフェンなどの合成材料の穴として生成される場合もあります。

ナノポアが電気絶縁膜に存在する場合、それを単一分子検出器として使用できます。ナノポアは、高電気抵抗脂質二重層内の生物学的タンパク質チャネル、固体膜内の細孔、またはこれらのハイブリッド（合成膜に設定されたタンパク質チャネル）である可能性があります。検出原理は、膜全体に電圧を印加したときにナノポアを通過するイオン電流を監視することに基づいています。ナノポアが分子サイズの場合、分子（DNAなど）が通過すると、「オープン」電流レベルが中断され、「転座イベント」信号が発生します。たとえば、RNAまたは一本鎖DNA分子が膜に埋め込まれたα溶血素チャネル（直径1.5 nm）を通過すると、電流が約90％遮断されます（1 M KCl溶液で測定）。^[1]

これは、はるかに小さな粒子用のコールターカウンターと考えることができる。 ^[2]

• ^{ナノポアは、ポア形成タンパク質[3]}によって形成される場合があり、典型的にはキノコ型のタンパク質分子を貫通する中空のコアである。ポア形成タンパク質の例としては、α溶血素、アエロリシン、およびMspA ポリンなどがある。典型的な実験室ナノポア実験では、単一のタンパク質ナノポアを脂質二重膜に挿入し、単一チャネルの電気生理学的測定を行う。より新しいポア形成タンパク質は、ナノポアとしての使用を研究するためにバクテリオファージから抽出されている。これらのポアは、通常、直径が二本鎖 DNA の直径である 2 nm を超えるために選択される。^[4]
• より大きなナノ細孔の直径は最大 20 nm です。これらの細孔は、酸素、グルコース、インスリンなどの小さな分子は通過させますが、免疫グロブリンなどの大きな免疫系分子は通過させません。たとえば、ラットの膵臓細胞はマイクロカプセル化されており、近隣の環境、つまり外来細胞から完全に隔離されたナノ細孔を通じて栄養素を受け取り、インスリンを放出します。この知識は、膵臓の機能していないランゲルハンス島細胞(インスリンを生成する役割を担う) を、採取した子豚の細胞で置き換えるのに役立ちます。これらの細胞は、糖尿病患者に感染のリスクをもたらす免疫抑制剤を必要とせずに、人間の皮膚の下に埋め込むことができます。

• 固体ナノポアは一般にシリコン化合物膜で作られ、最も一般的なものの1つは窒化シリコンです。広く使用されている2番目のタイプの固体ナノポアは、ガラス毛細管のレーザーアシスト引き上げによって製造されるガラスナノポアです。^{[5]固体ナノポアは、}イオンビーム彫刻、^[6]誘電破壊、^[7] TEMを使用した電子ビーム露光^[8]およびイオントラックエッチングを含むいくつかの技術で製造できます。^[9]
• 最近では、グラフェン^[10]を固体ナノポアセンシングの材料として使用することが研究されています。固体ナノポアの別の例としては、箱型グラフェン（BSG）ナノ構造があります。^[11] BSGナノ構造は、表面に沿って配置され、四角形の断面を持つ平行な中空ナノチャネルの多層システムです。チャネル壁の厚さはおよそ1nmです。チャネルファセットの典型的な幅は約25nmです。
• サイズ調整可能なエラストマーナノポアが製造され、イオン電流の流れを遮断するナノ粒子の正確な測定が可能になりました。この測定方法は、さまざまな粒子タイプの測定に使用できます。固体細孔の制限とは対照的に、細孔サイズを粒子サイズに近づけることで、バックグラウンド電流に対する抵抗パルスの大きさを最適化することができます。検出は粒子ごとに行われるため、真の平均および多分散分布を決定できます。^{[12] [13]この原理を使用して、} Izon Science Ltdは世界で唯一の商用調整可能なナノポアベースの粒子検出システムを開発しました。箱型グラフェン (BSG) ナノ構造は、変更可能な細孔サイズを備えたデバイスを構築するための基盤として使用できます。^[11]

異なる塩基を含むDNAの通過鎖が電流値の変化に対応するという観察から、ナノポアシーケンシングが開発されました。^[14]ナノポアシーケンシングは、上記のセクションで述べたように細菌のナノポアで行うことができますが、オックスフォードナノポアテクノロジーズによって作成されたナノポアシーケンシングデバイスでも行うことができます。

基本的な観点から、DNA または RNA のヌクレオチドは、鎖が細孔に入るときの電流の変化に基づいて識別されます。オックスフォード ナノポア テクノロジーズがナノポア DNA シーケンシングに使用しているアプローチでは、標識された DNA サンプルがナノポア内のフローセルにロードされます。DNA フラグメントはナノポアに誘導され、らせんの展開を開始します。ほどかれたらせんがナノポアを通過すると、1 秒あたり 1000 回で測定される電流値の変化と相関します。ナノポア分析ソフトウェアは、検出された各塩基のこの交流値を取得し、結果として得られる DNA シーケンスを取得できます。^[15]同様に、生物学的ナノポアの使用では、システムに一定の電圧が印加されると、交流電流を観察できます。DNA、RNA、またはペプチドが細孔に入ると、このシステムを通じて、識別されているモノマーの特徴である電流の変化を観察できます。^{[16] [17]}

イオン電流整流（ICR）はナノポアにとって重要な現象です。イオン電流整流は薬物センサーとしても利用でき^{[18] [19]}、ポリマー膜の電荷状態を調べるためにも利用できます。^[20]

迅速なDNA シーケンシングの他に、溶液中の一本鎖 DNA と二本鎖 DNA の分離やポリマーの長さの決定などの用途があります。現段階では、ナノポアはポリマー生物物理学、DNA-タンパク質相互作用の単一分子分析、およびペプチドシーケンシングの理解に貢献しています。ペプチドシーケンシングに関しては、溶血素のような細菌ナノポアは、RNA、DNA、そして最近ではタンパク質シーケンシングの両方に適用できます。例えば、同じグリシン-プロリン-プロリン繰り返しを持つペプチドを合成し、ナノポア分析にかけた研究に適用したところ、正確な配列を得ることができました。^[21]これは、分子間イオン相互作用に基づいてペプチドの立体化学の違いを識別するためにも使用できます。タンパク質の一部の構成変化も、転座曲線から観察できます。^[22]これを理解することで、環境内でのペプチドの配列を完全に理解するためのデータも増えます。^{[23]細菌由来の別のナノポアである}エアロリシンナノポアの使用は、ペプチド内の残基を区別する同様の能力を示しただけでなく、宣言された「非常に純粋な」タンパク質サンプルに存在する毒素を識別する能力も示し、さまざまなpH値にわたって安定性を示しました。^[16]細菌ナノポアの使用の制限は、6残基ほどの短いペプチドは正確に検出されるが、より大きく負に帯電したペプチドでは、分子を代表しないバックグラウンド信号が多くなることです。^[24]

1960 年代後半にトラックエッチング技術が発見されて以来、必要な直径のフィルター膜は、食品安全、環境汚染、生物学、医学、燃料電池、化学など、さまざまな分野で応用の可能性を見出してきました。これらのトラックエッチング膜は、通常、トラックエッチング手順によってポリマー膜に作られます。この手順では、最初にポリマー膜に重イオンビームを照射してトラックを形成し、次にウェットエッチング後にトラックに沿って円筒形の細孔または非対称の細孔を作成します。

適切な直径のフィルター膜を製造することと同じくらい重要なのは、これらの材料の特性評価と測定です。現在までに、いくつかの方法が開発されており、それらは、利用される物理的メカニズムに従って次のカテゴリに分類できます。走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、原子間力顕微鏡(AFM) などのイメージング方法、バブルポイントやガス輸送などの流体輸送、窒素吸着/脱着 (BEH)、水銀ポロシメトリー、液体-蒸気平衡 (BJH)、ガス-液体平衡 (パーモポロメトリー)、液体-固体平衡 (サーモポロメトリー) などの流体吸着、電子伝導性、超音波分光法、および分子輸送。

最近では、ナノポアのサイズを測定する方法として 光透過技術^[25]の使用が提案されている。

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