Новый сенсор имитирует функции клеточной мембраны и может помочь в скрининге трудно диагностируемых видов рака
Исследователи под руководством MIT создали новый сенсор, вдохновленный природными сенсорными системами, который способен обнаруживать те же молекулы, что и естественные клеточные рецепторы.
Прототип сенсора может обнаруживать иммунную молекулу CXCL12 с чувствительностью до десятков или сотен частей на миллиард. Это важный первый шаг к разработке системы для рутинного скрининга трудно диагностируемых видов рака или метастатических опухолей, либо в качестве высокобиомиметического электронного "носа".
Принцип работы устройства основан на мембране, окружающей все клетки. Ученые модифицировали некоторые рецепторные белки из мембран так, чтобы они могли существовать вне ее, и закрепили их в слое кристаллизованных белков на массиве графеновых транзисторов. При обнаружении целевой молекулы в образце транзисторы передают информацию на компьютер или смартфон.
Такой сенсор потенциально можно адаптировать для анализа любой биологической жидкости (кровь, слезы, слюна) и для одновременного скрининга множества различных мишеней, в зависимости от используемых рецепторных белков.
Преодоление ограничений мембран
Большинство современных диагностических сенсоров основаны на антителах или аптамерах, которые имеют ограничения: аптамеры легко разрушаются в биологических жидкостях, а производство идентичных партий антител затруднено.
Альтернативой являются рецепторные белки клеточных мембран. Однако, будучи извлеченными из мембраны, они сохраняют структуру только в детергенте.
В 2018 году команда сообщила о новом методе QTY code, позволяющем превращать гидрофобные белки в водорастворимые, заменяя несколько гидрофобных аминокислот (лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин) на гидрофильные (глутамин, треонин, тирозин).
Для этого исследования ученые использовали S-layer белки (белки поверхностного слоя бактерий и архей), которые при кристаллизации образуют мономолекулярные массивы на поверхности. С их помощью создали плотный, иммобилизованный слой водорастворимой версии рецепторного белка CXCR4, который связывается с целевой молекулой CXCL12, играющей роль в нескольких заболеваниях, включая рак.
Технология получила название RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).
Чувствительность и биомиметика
Кристаллизованные S-слои можно нанести практически на любую поверхность. В данном случае их присоединили к чипу с массивами графеновых транзисторов, ранее разработанными в лаборатории.
Чип адаптировали для покрытия двойным слоем белков: кристаллизованных S-слой белков, присоединенных к водорастворимым рецепторным белкам. Когда целевая молекула из образца связывается с рецептором, заряд мишени изменяет электрические свойства графена. Это изменение можно измерить и передать на подключенное устройство.
Графен был выбран в качестве материала-трансдуктора из-за превосходных электрических свойств и максимального соотношения поверхности к объему.
Чип графенового транзистора можно покрыть S-слой-рецепторными белками с плотностью 1 триллион рецепторов на квадратный сантиметр с ориентацией вверх. Это позволяет использовать максимальную чувствительность рецепторных белков в клинически значимом диапазоне для аналитов в организме человека.
Массив чипа интегрирует более 200 устройств, обеспечивая избыточность обнаружения сигнала для надежных измерений даже редких молекул.
Использование QTY code позволяет модифицировать природные рецепторные белки для создания массива сенсоров на одном чипе для скрининга практически любой молекулы, которую могут обнаруживать клетки. Цель — разработка базовой технологии для будущего портативного устройства, интегрируемого с телефонами и компьютерами, для домашнего тестирования.