Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nowy sposób wytwarzania sensorów, które rozpoznają specyficzne rodzaje cząsteczek. Innowacyjne podejście do budowy trwałych czujników różnych związków, polega na pokryciu nanorurek węglowych amfifilowymi cząsteczkami polimerów. Trójwymiarowe struktury potrafiące wiązać się z neuroprzekaźnikami, toksynami czy markerami chorób mogą pomóc w wykrywaniu i kontroli m.in. nowotworowów, stanów zapalnych oraz innych nieprawidłowości w organizmach i środowisku.
“Syntetyczne przeciwciała” bazują na nanorurkach węglowych – strukturach nadcząsteczkowych, zbudowanych ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy atomów węgla) mających postać pustych w środku walców. Dodatkowo nanorurki jednowarstwowe (z ang. single-walled nanotubes, SWNT) o średnicy nanometra wykazują zdolność do fluorescencji pod wpływem światła lasera. W przeszłości badacze wykorzystali to zjawisko do tworzenia czujników z nanorurek powlekanych naturalnymi przeciwciałami, które wiązały się z konkretnymi celami. Po przyłączeniu do danego obiektu, zmieniała się intensywność fluorescencji. W tak prosty sposób dowiadywano się o obecności określonych obiektów molekularnych. Nowe podejście zespołu z MIT oparte jest na budowie czujników z nanorurek węglowych pokrytych amfifilowymi cząsteczkami polimerów, czyli takimi, które posiadają równocześnie właściwości hydrofilowe i hydrofobowe (odpowiednio “wodolubne” i “odpychające wodę”). Zjawisko to nie ogranicza się tylko do układów, w których znajduje się woda, a dzięki niemu w organizmach z lipidów powstają błony komórkowe. Takie procedury umożliwiają rozpoznawanie szerokiego zakresu związków bez konieczności stosowania problematycznych znaczników. Według naukowców nowa technika jest analogią działania przeciwciał w organizmach. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Nanotechnology.
Czujniki na bazie polimerów syntetycznych umożliwiają potencjalne rozpoznawanie nieskończonej liczby celów na poziomie molekularnym. W porównaniu do nanorurek pokrytych naturalnymi przeciwciałami, te z płaszczem amfifilowym są znacznie bardziej trwałe, a procesom biologicznym zachodzącym wewnątrz ciała trudniej jest je uszkodzić. Alternatywnie stosowaną techniką wykrywania cząsteczek są aptamery DNA, będące krótkimi odcinkami DNA, wiążącymi się z określonymi obiektami w zależności od sekwencji łańcucha. Jednak według głównego autora badań, profesora inżynierii chemicznej Michaela Strano, zakres detekcji aptamerami jest ograniczony, m.in. ze względu na limitowaną długość fragmentów DNA.
Naukowcy w swojej publikacji opisali struktury zdolne do wykrywania rybloflawiny (witaminy B2), estradiolu (naturalnego estrogenu) oraz L-tyroksyny (jednego z hormonów tarczycy). Obecnie trwają prace nad innymi sensorami wiążącymi m.in. neuroprzekaźniki, węglowodany i białka. Nowa metoda polega na zjawisku łączenia niektórych typów polimerów z węglowymi nanorurkami. Polimery amfifilowe posiadają obszary hydrofobowe i hydrofilowe. Regiony hydrofobowe zczepiają się z podłożem (ścianką nanorurki), a hydrofilowe końce wystają poza rurkę. Pętle formują nową warstwę otaczającą nanorurkę zwaną koroną. Badacze z MIT wykryli, że pętle korony budowane są dokładnie wzdłuż rurki, a odstępy między miejscami łącznia z podłożem determinują jakie cząsteczki będą mogły związać się z pętlami oraz wpływają na zmiany fluorescencji. Rozpoznanie związku następuje w momencie jego połączenia z nanorurką. Regulacja wykrywanych obiektów następuje poprzez zmianę liczby miejsc połączeń korony z podłożem. Inżynierowie sprawdzali wiązania zautomatyzowaną metodą prób i błędów. Trzydzieści różnych połączeń na trzydzieści sześć związków chemicznych dało w rezultacie tylko trzy trafienia. Badacze potwierdzają, że nie można przewidzieć dokładnie, co sensory będą wykrywać i dlatego trwają poszukiwania sposobu przewidzenia właściwości oddziaływań na linii polimer – nanorurka.
Naukowcy uważają, że w przyszłości będą w stanie konstruować syntetyczne czujniki do wykrywania konkretnych cząsteczek. Sprzyja temu fakt, że nowe analityczne narzędzie jest stosunkowo tanie i łatwe w fabrykacji. Zachęcają również inne grupy badawcze do korzystania i rozwijania technologii. Opracowanie markerów biomolekularnych do wykrywania chorób lub czujników reagujących na zanieczyszczenia środowiska to tylko niektóre z aplikacji, które według autorów ogranicza jedynie wyobraźnia.
Źródło:
[1] Jingqing Zhang et al., Molecular recognition using corona phase complexes made of synthetic polymers adsorbed on carbon nanotubes, Nature Nanotechnology, 2013, DOI: 10.1038/nnano.2013.236
[2] http://web.mit.edu/newsoffice/2013/creating-synthetic-antibodies-1124.html [03.01.2014]
[3] http://www.kurzweilai.net/creating-synthetic-antibodies-to-detect-molecules [03.01.2014]
[4] http://www.nature.com/nnano/journal/v8/n12/full/nnano.2013.236.html [03.01.2014]
[5] http://www.nature.com/nnano/journal/v8/n12/extref/nnano.2013.236-s1.pdf [03.01.2014]
[6] SWNTs 90wt% By Cheaptubes (Own work) [CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons