1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии
  4. T. 39, № 5, 2022

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии, 2022, T. 39, № 5, стр. 364-372

Шум в ультракоротких эластичных мембранных нанотрубках

К. А. Иванова a, b, П. В. Башкиров a, c, *

a Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства
119435 Москва, Россия

b Московский физико-технический институт
141701 Долгопрудный, Россия

c Научно-исследовательский институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора
117246 Москва, Россия

* E-mail: pavel.bashkirov@sysbiomed.ru

Поступила в редакцию 04.05.2022
После доработки 02.06.2022
Принята к публикации 03.06.2022

Аннотация

Проведено исследование флуктуаций ионного тока в эластичных нанопорах в широком диапазоне частот и представлено полное описание их шумовых характеристик. В качестве модели эластичной нанопоры использовался просвет ультракоротких (<200 нм) липидных нанотрубок (укНТ), заполненный раствором электролита. Показано, что на низких частотах (f < 300 Гц) превалирует 1/f-тип шума. Этот низкочастотный шум был проанализирован при различных концентрациях соли и геометрических размерах нанопоры и обнаружено, что мощность 1/f шума пропорциональна обратному числу носителей заряда, что хорошо согласуется с эмпирическим соотношением Хуга. Линейная аппроксимация показала, что параметр Хуга для эластичных нанопор равен (2.5 ± 0.5) × 10–3 – это оказалось на порядок больше, чем для твердотельных аналогов. В высокочастотном режиме (f > 1 кГц) преобладающим становится белый шум, плотность мощности которого линейно зависит от ширины пропускания сигнала и при уменьшении длины укНТ и увеличении ионной силы хорошо согласуется с представлением его как суммы теплового шума Джонсона–Найквиста и дробового шума Шоттки.

Ключевые слова: нанопоры, липидный бислой, мембранная нанотрубка, электрические шумы

Список литературы

  1. Wu Y., Gooding J.J. 2022. The application of single molecule nanopore sensing for quantitative analysis. Chem. Soc. Rev. 51, 3862–3885.

  2. Varongchayakul N., Song J., Meller A., Grinstaff M.W. 2018. Single-molecule protein sensing in a nanopore: A tutorial. Chem. Soc. Rev. 47, 8512–8524.

  3. Lee K., Park K.B., Kim H.J., Yu J.S., Chae H., Kim H.M., Kim K.B. 2018. Recent progress in solid-state nanopores. Adv. Mater. 30, 1–28.

  4. Kasianowicz J.J., Brandin E., Branton D., Deamer D.W. 1996. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93, 13770–13773.

  5. Venkatesan B.M., Bashir R. 2011. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nat. Nanotechnol. 6, 615–624.

  6. Jain M., Olsen H.E., Paten B., Akeson M. 2016. The oxford nanopore MinION: Delivery of nanopore sequencing to the genomics community. Genome Biol. 17 (1), 239.

  7. Ying C., Houghtaling J., Eggenberger O.M., Guha A., Nirmalraj P., Awasthi S., Tian J., Mayer M. 2018. Formation of single nanopores with diameters of 20–50 nm in silicon nitride membranes using laser-assisted controlled breakdown. ACS Nano. 12, 11458–11470.

  8. Yusko E.C, Bruhn B.R., Eggenberger O.M., Houghtaling J., Rollings R.C., Walsh N.C., Nandivada S., Pindrus M., Hall A.R., Sept D., Li J., Kalonia D.S., Mayer M. 2017. Real-time shape approximation and fingerprinting of single proteins using a nanopore. Nat. Nanotechnol. 12, 360–367.

  9. Houghtaling J., Ying C., Eggenberger O.M., Fennouri A., Nandivada S., Acharjee M., Li J., Hall A.R., Mayer M. 2019. Estimation of shape, volume, and dipole moment of individual proteins freely transiting a synthetic nanopore. ACS Nano. 13, 5231–5242.

  10. Su S., Guo X., Fu Y., Xie Y., Wang X., Xue J. 2020. Origin of nonequilibrium 1/f noise in solid-state nanopores. Nanoscale. 12, 8975–8981.

  11. Kumar A., Park K.B., Kim H.M., Kim K.B. 2013. Noise and its reduction in graphene based nanopore devices. Nanotechnology. 24 (49), 495503.

  12. Bafna J.A., Soni G.V. 2016. Fabrication of low noise borosilicate glass nanopores for single molecule sensing. PLoS One. 11 (6), e0157399.

  13. Wen C., Zeng S., Arstila K., Sajavaara T., Zhu Y., Zhang Z., Zhang S.L. 2017. Generalized noise study of solid-state nanopores at low frequencies. ACS sensors. 2, 300–307.

  14. Uram J.D., Ke K., Mayer M.L. 2008. Noise and bandwidth of current recordings from submicrometer pores and nanopores. ACS Nano. 2, 857–872.

  15. Liang S., Xiang F., Tang Z., Nouri R., He X., Dong M., Guan W. 2020. Noise in nanopore sensors: Sources, models, reduction, and benchmarking. Nami Jishu yu Jingmi Gongcheng/Nanotechnology Precis. Eng. 3, 9–17.

  16. Fragasso A., Schmid S., Dekker C. 2020. Comparing current noise in biological and solid-state nanopores. ACS Nano. 14, 1338–1349.

  17. Korman C.E., Megens M., Ajo-Franklin C.M., Horsley D.A. 2013. Nanopore-spanning lipid bilayers on silicon nitride membranes that seal and selectively transport ions. Langmuir. 29, 4421–4425.

  18. Venkatesan B.M., Polans J., Comer J., Sridhar S., Wendell D., Aksimentiev A., Bashir R. 2011. Lipid bilayer coated Al2O3 nanopore sensors: Towards a hybrid biological solid-state nanopore. Biomed. Microdevices. 13, 671–682.

  19. Marchand R., Thibault C., Carcenac F., Vieu C., Trévisiol E. 2017. Integration of solid-state nanopores into a functional device designed for electrical and optical cross-monitoring. Biomed. Microdevices. 19 (3), 60.

  20. Dulka B.N., Bourdon A.K., Clinard C.T., Muvvala M.B.K., Campagna S.R., Cooper M.A. 2017. Metabolomics reveals distinct neurochemical profiles associated with stress resilience. Neurobiol. Stress. 7, 103–112.

  21. Yusko E.C., Johnson J.M., Majd S., Prangkio P., Rollings R.C., Li J., Yang J., Mayer M. 2011. Controlling protein translocation through nanopores with bio-inspired fluid walls. Nat. Nanotechnol. 6, 253–260.

  22. Zhong-Can O.Y., Helfrich W. 1989. Bending energy of vesicle membranes: General expressions for the first, second, and third variation of the shape energy and applications to spheres and cylinders. Phys. Rev. A, Gen. Phys. 39, 5280–5288.

  23. Chia P.Z.C., Gleeson P.A. 2014. Membrane tethering. F1000Prime Rep. 6, 74.

  24. Toh W.H., Gleeson P.A. 2016. Emerging insights into the roles of membrane tethers from analysis of whole organisms: The tip of an iceberg. Front. Cell Dev. Biol. 4, 12.

  25. Bashkirov P.V., Kuzmin P.I., Lillo J.V., Frolov V.A. 2022. Molecular shape solution for mesoscopic remodeling of cellular membranes. Annu. Rev. Biophys. 51, 473–497.

  26. Frolov V.A., Lizunov V.A., Dunina-Barkovskaya A.Y., Samsonov A.V., Zimmerberg J. 2003. Shape bistability of a membrane neck: A toggle switch to control vesicle content release. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100, 8698–8703.

  27. Bashkirov P.V., Kuzmin P.I., Chekashkina K., Arrasate P., Vera Lillo J., Shnyrova A.V., Frolov V.A. 2020. Reconstitution and real-time quantification of membrane remodeling by single proteins and protein complexes. Nat. Protoc. 15, 2443–2469.

  28. Smeets R.M.M., Keyser U.F., Dekker N.H., Dekker C. 2008. Noise in solid-state nanopores. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 417–421.

  29. Mueller P., Rudin D.O. 1967. Action potential phenomena in experimental bi-molecular lipid membranes. Nature. 213, 603–604.

  30. Bashkirov P.V., Chekashkina K.V., Shnyrova A.V., Frolov V.A. 2020. Electrophysiological methods for detection of membrane and hemifission by dynamin 1. Methods Mol. Biol. 2159, 141–162.

  31. Ivchenkov D.V., Kuzmin P.I., Galimzyanov T.R., Shnyrova A.V., Bashkirov P.V., Frolov V.A. 2021. Nonlinear material and ionic transport through membrane nanotubes. Biochim. Biophys. Acta – Biomembr. 1863, 183677.

  32. Евсеев А.И., Башкиров П.В. 2008. Деление мембранной нанотрубки, вызванное осмотическим давлением. Биол. мембраны. 25, 227–232.

  33. Eggenberger O.M., Leriche G., Koyanagi T., Ying C., Houghtaling J., Schroeder T.B.H., Yang J., Li J., Hall A., Mayer M. 2019. Fluid surface coatings for solid-state nanopores: Comparison of phospholipid bilayers and archaea-inspired lipid monolayers. Nanotechnology. 30, 325504.

  34. De Vreede L.J., Ying C., Houghtaling J., Figueiredo Da Silva J., Hall A.R., Lovera A., Mayer M. 2019. Wafer-scale fabrication of fused silica chips for low-noise recording of resistive pulses through nanopores. Nanotechnology. 30, 265301.

  35. Vlassiouk I., Smirnov S., Siwyt Z. 2008. Ionic selectivity of single nanochannels. Nano Lett. 8, 1978–1985.

  36. Vandamme L.K.J. 1989. Bulk and surface 1/f noise. IEEE Trans. Electron Devices. 36, 987–992.

  37. Zhang D., Solomon P., Zhang S.L., Zhang Z. 2018. An impedance model for the low-frequency noise originating from the dynamic hydrogen ion reactivity at the solid/liquid interface. Sensors Actuators B Chem. 254, 363–369.

  38. Kamada M., Laitinen A., Zeng W., Will M., Sarkar J., Tappura K., Seppä H., Hakonen P. 2021. Electrical low-frequency 1/f γ noise due to surface diffusion of scatterers on an ultra-low-noise graphene platform. Nano Lett. 21, 7637–7643.

  39. Krylov N.A., Pentkovsky V.M., Efremov R.G. 2013. Nontrivial behavior of water in the vicinity and inside lipid bilayers as probed by molecular dynamics simulations. ACS Nano. 7, 9428–9442.

  40. Vanni S., Hirose H., Barelli H., Antonny B., Gautier R. 2014. A sub-nanometre view of how membrane curvature and composition modulate lipid packing and protein recruitment. Nat. Commun. 5, 4916.

  41. Campelo F., Kozlov M.M. 2014. Sensing membrane stresses by protein insertions. PLoS Comput. Biol. 10 (4), e1003556.

  42. Tripathy M., Thangamani S., Srivastava A. 2020. Three-dimensional packing defects in lipid membrane as a function of membrane order. J. Chem. Theory Comput. 16, 7800–7816.

  43. Чекашкина К.В., Галимзянов Т.Р., Кузьмин П.И., Акимов С.А., Романов С.А., Позмогова Г.Е., Клинов Д.В., Башкиров П.В. 2017. Регистрация молекул ДНК в каналах липидных нанотрубок в условиях малой ионной силы. Биол. мембраны. 34, 261–269.

  44. Bashkirov P.V., Chekashkina K.V., Akimov S.A., Kuzmin P.I., Frolov V.A. 2011. Variation of lipid membrane composition caused by strong bending. Biochem. (Moscow) Suppl. Ser. A Membr. Cell Biol. 5, 205–211.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал