Обонятельные сенсоры на основе графена с самоорганизующимися пептидами
Исследователи из Токийского технологического института (Tokyo Tech) продемонстрировали графеновые обонятельные сенсоры, способные детектировать молекулы запахов благодаря дизайну пептидных последовательностей. Результаты показали, что графеновые полевые транзисторы (GFET), функционализированные дизайнерскими пептидами, можно использовать для создания электронных устройств, имитирующих обонятельные рецепторы и воспроизводящих обоняние за счёт селективного обнаружения одорантов.
В настоящее время наиболее распространённым методом обнаружения и анализа молекул запаха является газовая хроматография–масс-спектрометрия (GC–MS). Несмотря на эффективность, у GC–MS есть ограничения: громоздкая установка и ограниченная чувствительность.
В последние годы для создания высокочувствительных и селективных сенсоров запаха начали использовать графеновые полевые транзисторы (GFET) в интеграции с обонятельными рецепторами («электронные носы»). Атомарно плоская поверхность и высокая подвижность электронов делают графен идеальным для адсорбции молекул запаха. Однако применению GFET в качестве электрических биосенсоров с рецепторами мешают хрупкость природных рецепторов и отсутствие альтернативных синтетических молекул, способных выполнять их функцию.
Команда под руководством профессора Юхэя Хаямизу разработала три новых пептида для графеновых биосенсоров, способных детектировать молекулы запахов. Профессор Хаямизу поясняет: «Разработанные нами пептидные последовательности должны были выполнять две основные функции: служить биомолекулярным каркасом для самоорганизации на поверхности графена и работать как биозонд для связывания молекул запаха».
Атомно-силовая микроскопия показала, что пептиды равномерно покрыли поверхность графена однослойной плёнкой толщиной в одну молекулу. Функционализированный графен использовали для создания установки GFET. После сборки в GFET вводили лимонен, ментол и метилсалицилат в качестве репрезентативных одорантов. Электрохимические измерения показали, что связывание с молекулами запаха снижает проводимость графена. Также выяснилось, что взаимодействие трёх разных пептидных последовательностей с молекулой запаха даёт очень различные сигнатуры. Это подтвердило, что отклик GFET на одоранты зависит от дизайна пептида.
Кроме того, команда провела измерения в реальном времени для мониторинга кинетического отклика GFET. Наблюдения показали, что временные характеристики, связанные с адсорбцией и десорбцией молекул запаха, уникальны для каждой пептидной последовательности. Это поведение было дополнительно подтверждено методом главных компонент.
«Наш подход прост и может быть масштабирован для массового производства пептидных обонятельных рецепторов, которые могут имитировать и миниатюризировать природные белковые рецепторы, ответственные за наше обоняние. Мы на шаг ближе к реализации концепции электронных носов», — говорит профессор Хаямизу.
Представленный в исследовании подход открывает новые возможности для разработки высокоселективных и чувствительных систем обнаружения запахов на основе GFET. Эти идеи также могут быть использованы при проектировании продвинутых пептидных сенсоров, способных проводить многомерный анализ целого ряда молекул запаха.