Nieuwe grafeentransistorsensor bootst celmembraanfuncties na

Nieuwe grafeentransistorsensor bootst celmembraanfuncties na

Tijdstempel: 21 juli 2023 2:02 uur
Bronknooppunt: 2778867
21 juli 2023 (Nanowerk NieuwsGeïnspireerd door natuurlijke sensorische systemen heeft een team onder leiding van het MIT een nieuwe sensor ontworpen die dezelfde moleculen kan detecteren die natuurlijk voorkomende celreceptoren kunnen identificeren. In werk dat verschillende nieuwe technologieën combineert, hebben de onderzoekers een prototypesensor gemaakt die een immuunmolecuul genaamd CXCL12 kan detecteren, tot tientallen of honderden deeltjes per miljard. Dit is een belangrijke eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een systeem dat kan worden gebruikt voor het routinematig screenen van moeilijk te diagnosticeren vormen van kanker of metastatische tumoren, of als een zeer biomimetische elektronische ‘neus’, zeggen de onderzoekers. “Onze hoop is om een ​​eenvoudig apparaat te ontwikkelen waarmee je thuis testen kunt doen, met een hoge specificiteit en gevoeligheid. Hoe eerder je kanker ontdekt, hoe beter de behandeling. Daarom is vroege diagnostiek van kanker een belangrijk gebied waar we ons op willen richten”, zegt Shuguang Zhang, hoofdonderzoeker bij het Media Lab van MIT. Het apparaat haalt inspiratie uit het membraan dat alle cellen omringt. Binnen dergelijke membranen bevinden zich duizenden receptoreiwitten die moleculen in de omgeving detecteren. Het MIT-team heeft een aantal van deze eiwitten aangepast zodat ze buiten het membraan konden overleven, en verankerde ze in een laag gekristalliseerde eiwitten bovenop een reeks van eiwitten. grafeen transistors. Wanneer het doelmolecuul in een monster wordt gedetecteerd, worden deze transistoren stuur de informatie door naar een computer of smartphone. sensorapparaat vergeleken met een muntstuk van een kwart dollar Een door MIT geleid team heeft een sensor ontworpen die kan worden ingezet om patiënten te screenen op moeilijk te diagnosticeren vormen van kanker of metastatische tumoren. Het apparaat haalt inspiratie uit het membraan dat alle cellen omringt. (Afbeelding: met dank aan de onderzoekers) Dit type sensor zou mogelijk kunnen worden aangepast om lichaamsvloeistoffen, zoals bloed, tranen of speeksel, te analyseren, zeggen de onderzoekers, en zou tegelijkertijd op veel verschillende doelen kunnen screenen, afhankelijk van het type receptor eiwitten gebruikt. “We identificeren kritische receptoren uit biologische systemen en verankeren ze op een bio-elektronische interface, waardoor we al die biologische signalen kunnen verzamelen en ze vervolgens kunnen omzetten in elektrische output die kan worden geanalyseerd en geïnterpreteerd door machine-learning-algoritmen”, zegt Rui Qing, een voormalige MIT-onderzoeker die nu universitair hoofddocent is aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit. Qing en Mantian Xue PhD '23 zijn de hoofdauteurs van de studie, die verschijnt in Wetenschap Advances (“Schaalbaar biomimetisch detectiesysteem met membraanreceptor dubbel-monolaagsonde en grafeentransistorarrays”). Samen met Zhang zijn Tomás Palacios, directeur van MIT's Microsystems Laboratory en hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen, en Uwe Sleytr, emeritus hoogleraar aan het Institute of Synthetic Bioarchitectures van de Universiteit voor Natuurlijke Hulpbronnen en Levenswetenschappen in Wenen, senior auteurs van het papier.

Vrij van membranen

De meeste huidige diagnostische sensoren zijn gebaseerd op antilichamen of aptameren (korte DNA- of RNA-strengen) die een bepaald doelmolecuul uit een vloeistof zoals bloed kunnen vangen. Beide benaderingen hebben echter beperkingen: Aptameren kunnen gemakkelijk worden afgebroken door lichaamsvloeistoffen, en het kan moeilijk zijn om antilichamen te produceren zodat elke batch identiek is. Een alternatieve benadering die wetenschappers hebben onderzocht, is het bouwen van sensoren op basis van de receptoreiwitten in celmembranen, die cellen gebruiken om hun omgeving te monitoren en erop te reageren. Het menselijk genoom codeert voor duizenden van dergelijke receptoren. Deze receptoreiwitten zijn echter moeilijk om mee te werken, omdat ze, eenmaal verwijderd uit het celmembraan, hun structuur alleen behouden als ze in een detergens worden gesuspendeerd. In 2018 rapporteerden Zhang, Qing en anderen een nieuwe manier om hydrofobe eiwitten om te zetten in wateroplosbare eiwitten, door een paar hydrofobe aminozuren te vervangen door hydrofiele aminozuren. Deze benadering wordt de QTY-code genoemd, naar de letters die de drie hydrofiele aminozuren vertegenwoordigen – glutamine, threonine en tyrosine – die de plaats innemen van de hydrofobe aminozuren leucine, isoleucine, valine en fenylalanine. “Mensen proberen al tientallen jaren receptoren te gebruiken voor detectie, maar het is een uitdaging voor wijdverbreid gebruik omdat receptoren detergentia nodig hebben om ze stabiel te houden. Het nieuwe aan onze aanpak is dat we ze in water oplosbaar kunnen maken en ze in grote hoeveelheden en goedkoop kunnen produceren”, zegt Zhang. Zhang en Sleytr, die al heel lang samenwerken, besloten samen te werken om te proberen wateroplosbare versies van receptoreiwitten aan een oppervlak te hechten, met behulp van bacteriële eiwitten die Sleytr al jaren bestudeert. Deze eiwitten, bekend als S-laageiwitten, worden in veel soorten bacteriën en archaea aangetroffen als de buitenste oppervlaktelaag van de celenvelop. Wanneer S-laageiwitten worden gekristalliseerd, vormen ze coherente monomoleculaire arrays op een oppervlak. Sleytr had eerder aangetoond dat deze eiwitten kunnen worden gefuseerd met andere eiwitten zoals antilichamen of enzymen. Voor deze studie gebruikten de onderzoekers, waaronder senior wetenschapper Andreas Breitwieser, die ook co-auteur is van het artikel, S-laag-eiwitten om een ​​zeer dicht, geïmmobiliseerd vel te creëren van een in water oplosbare versie van een receptoreiwit genaamd CXCR4. Deze receptor bindt zich aan een doelmolecuul genaamd CXCL12, dat een belangrijke rol speelt bij verschillende menselijke ziekten, waaronder kanker, en aan een HIV-mantelglycoproteïne, dat verantwoordelijk is voor het binnendringen van virussen in menselijke cellen. “We gebruiken deze S-laagsystemen om al deze functionele moleculen in staat te stellen zich aan een oppervlak te hechten in een monomoleculaire reeks, in een zeer goed gedefinieerde verdeling en oriëntatie”, zegt Sleytr. “Het is net een schaakbord waarop je verschillende stukken heel precies kunt rangschikken.” De onderzoekers noemden hun sensortechnologie RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

Gevoeligheid met biomimicry

Deze gekristalliseerde S-lagen kunnen op vrijwel elk oppervlak worden afgezet. Voor deze toepassing bevestigden de onderzoekers de S-laag op een chip met op grafeen gebaseerde transistorarrays die het laboratorium van Palacios eerder had ontwikkeld. De enkele atomaire dikte van de grafeentransistors maakt ze ideaal voor de ontwikkeling van zeer gevoelige detectoren. Xue werkte in het laboratorium van Palacios en paste de chip zo aan dat deze kon worden gecoat met een dubbele laag eiwitten: gekristalliseerde S-laag-eiwitten gehecht aan in water oplosbare receptoreiwitten. Wanneer een doelmolecuul uit het monster zich aan een receptoreiwit bindt, verandert de lading van het doel de elektrische eigenschappen van het grafeen op een manier die gemakkelijk kan worden gekwantificeerd en kan worden verzonden naar een computer of smartphone die op de chip is aangesloten. “We kozen voor grafeen als transducermateriaal omdat het uitstekende elektrische eigenschappen heeft, wat betekent dat het die signalen beter kan vertalen. Het heeft de hoogste verhouding tussen oppervlak en volume omdat het een laagje koolstofatomen is. Elke verandering aan het oppervlak, veroorzaakt door eiwitbindingsgebeurtenissen, vertaalt zich dus direct in de hele bulk van het materiaal”, zegt Xue. De grafeentransistorchip kan worden gecoat met S-laag-receptoreiwitten met een dichtheid van 1 biljoen receptoren per vierkante centimeter met opwaartse oriëntatie. Hierdoor kan de chip profiteren van de maximale gevoeligheid die de receptoreiwitten bieden, binnen het klinisch relevante bereik voor doelanalyten in menselijke lichamen. De array-chip integreert meer dan 200 apparaten, wat zorgt voor een redundantie in signaaldetectie die helpt betrouwbare metingen te garanderen, zelfs in het geval van zeldzame moleculen, zoals die welke de aanwezigheid van een tumor in een vroeg stadium of het begin van de ziekte van Alzheimer zouden kunnen onthullen , zeggen de onderzoekers. Dankzij het gebruik van de QTY-code is het mogelijk om natuurlijk bestaande receptoreiwitten te modificeren die vervolgens, zo zeggen de onderzoekers, kunnen worden gebruikt om een ​​reeks sensoren in één enkele chip te genereren om vrijwel elk molecuul te screenen dat cellen kunnen detecteren. “Wat we willen doen is de basistechnologie ontwikkelen om een ​​toekomstig draagbaar apparaat mogelijk te maken dat we kunnen integreren met mobiele telefoons en computers, zodat je thuis een test kunt doen en snel kunt ontdekken of je naar de dokter moet gaan.” zegt Qing. “Dit nieuwe systeem is de combinatie van verschillende onderzoeksgebieden, zoals moleculaire en synthetische biologie, natuurkunde en elektrotechniek, die in de aanpak van het team mooi geïntegreerd zijn”, zegt Piero Baglioni, hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Florence. niet betrokken bij de studie. “Bovendien geloof ik dat het een doorbraak is die zeer nuttig zou kunnen zijn bij de diagnostiek van vele ziekten.”

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk