Новый датчик имитирует функции клеточных мембран

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике по лицензии Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Черпая вдохновение из естественных сенсорных систем, команда под руководством Массачусетского технологического института разработала новый датчик, который может обнаруживать те же молекулы, которые могут идентифицировать естественные клеточные рецепторы.

В работе, сочетающей в себе несколько новых технологий, исследователи создали прототип датчика, который может обнаруживать иммунную молекулу под названием CXCL12 с точностью до десятков или сотен частей на миллиард. Это важный первый шаг к разработке системы, которую можно было бы использовать для проведения рутинных скринингов трудно диагностируемых видов рака или метастатических опухолей или в качестве биомиметического электронного «носа», говорят исследователи.

«Мы надеемся разработать простое устройство, которое позволит вам проводить тестирование в домашних условиях с высокой специфичностью и чувствительностью. Чем раньше вы обнаружите рак, тем лучше будет лечение, поэтому ранняя диагностика рака — это одна из важных областей, которой мы хотим заняться», — говорит Шугуан Чжан, главный научный сотрудник Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института.

Устройство черпает вдохновение из мембраны, окружающей все клетки. Внутри таких мембран находятся тысячи рецепторных белков, которые обнаруживают молекулы в окружающей среде. Команда Массачусетского технологического института модифицировала некоторые из этих белков так, чтобы они могли выжить вне мембраны, и закрепила их в слое кристаллизованных белков поверх массива графеновых транзисторов. Когда в образце обнаруживается целевая молекула, эти транзисторы передают информацию на компьютер или смартфон.

По словам исследователей, этот тип датчика потенциально может быть адаптирован для анализа любой жидкости организма, такой как кровь, слезы или слюна, и может одновременно проверять множество различных целей, в зависимости от типа используемых рецепторных белков.

«Мы выявляем критические рецепторы биологических систем и прикрепляем их к биоэлектронному интерфейсу, что позволяет нам собирать все эти биологические сигналы, а затем преобразовывать их в электрические выходные данные, которые можно анализировать и интерпретировать с помощью алгоритмов машинного обучения», — говорит Руй Цин, бывший Ученый-исследователь Массачусетского технологического института, который сейчас является доцентом Шанхайского университета Цзяо Тонг.

Цин и Мантянь Сюэ, доктора философии '23, являются ведущими авторами исследования, которое опубликовано сегодня в журнале Science Advances. Наряду с Чжаном старшими авторами являются Томас Паласиос, директор Лаборатории микросистем Массачусетского технологического института и профессор электротехники и информатики, и Уве Слейтр, почетный профессор Института синтетической биоархитектуры Университета природных ресурсов и наук о жизни в Вене. бумаги.

Без мембран

Большинство современных диагностических датчиков основаны либо на антителах, либо на аптамерах (коротких цепях ДНК или РНК), которые могут захватывать определенную молекулу-мишень из жидкости, например крови. Однако у обоих этих подходов есть ограничения: аптамеры могут легко расщепляться биологическими жидкостями, а производство антител, чтобы каждая партия была идентична, может быть затруднительно.

Один альтернативный подход, который исследовали ученые, — это создание датчиков на основе рецепторных белков, обнаруженных в клеточных мембранах, которые клетки используют для мониторинга и реагирования на окружающую среду. Геном человека кодирует тысячи таких рецепторов. Однако с этими рецепторными белками трудно работать, поскольку после удаления из клеточной мембраны они сохраняют свою структуру только в том случае, если они суспендированы в детергенте.

В 2018 году Чжан, Цин и другие сообщили о новом способе преобразования гидрофобных белков в водорастворимые путем замены нескольких гидрофобных аминокислот на гидрофильные. Этот подход называется кодом QTY по буквам, обозначающим три гидрофильные аминокислоты — глютамин, треонин и тирозин, — которые заменяют гидрофобные аминокислоты лейцин, изолейцин, валин и фенилаланин.