Popeye, bohater bajek oraz książek posiadał nadludzką siłę dzięki jedzeniu szpinaku. Zainspirowani tym faktem rodzice zaczęli natychmiast karmić swoje dzieci bogatą w żelazo rośliną. Pomijając fakt, iż jest ona dość niesmaczna, podopieczni pochłaniali ją pragnąc zyskać moc idola z wieczorynek. Dzisiaj wiadomo, że szpinak nie jest tak bogaty w żelazo jak sądzono początkowo, jednak nie zmienia to faktu, iż żelazo jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu ludzkiego oraz dobrego samopoczucia fizycznego.
Podchodząc do tematu od innej strony, brak żelaza spowodowany nieprawidłowym odżywianiem lub częściej niedożywieniem, może prowadzić do anemii, natomiast podwyższony poziom żelaza może sygnalizować obecność stanu zapalnego. Właściwy poziom żelaza w organizmie jest bardzo ważnym elementem diagnostycznym w medycynie. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Ulm, pod kierownictwem fizyka eksperymentalnego Fedor’a Jelezko, fizyka teoretycznego Martina Plenio oraz chemiczki Tanji Weil, opracował nowatorski czujnik biologiczny do oznaczania zawartości żelaza bazujący na nanocząstkach diamentu.
Projekt był realizowany w ramach Grant BioQ na który przeznaczono 10,3 mln euro w grudniu ubiegłego roku przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. “Standardowe badania krwi nie mogą uchwycić – czego można było się spodziewać – wolnych jonów żelaza zawartych w krwi, gdyż cząstki te są toksyczne, co utrudnia ich detekcję” – wyjaśnia profesor Tanja Weil, dyrektor Instytutu Chemii Organicznej na Uniwersytecie w Ulm. Stosowane obecnie metody badań krwi opierają się na wykrywaniu pewnych białek odpowiedzialnych za transport oraz przechowywanie cząstek żelaza. Jednym z nich jest ferrytyna, której związki zawierają ok. 4500 jonów żelaza, utrzymując je w dostępnej i nieszkodliwej formie. Powszechne testy są oparte na technikach immunologicznych służących do szacowania stężenia żelaza pośrednio na podstawie różnych wskaźników. Wyniki odrębnych testów mogą jednak prowadzić do sprzecznych rezultatów w niektórych przypadkach klinicznych.
Fotografia niedoboru cząstek żelaza skutkującego anemią, brak intensywnego zabarwienia układu krwionośnego na czerwono.
Naukowcy z Ulm opracowali zupełnie odmienny sposób podejścia do wykrywania ferrytyny. Wymagało to połączenia kilku nowych pomysłów. Po pierwsze, każdy atom żelaza związany przez ferrytynę, generuje pole magnetyczne. Jednakże jest ono zbyt małe (białko zawiera jedynie 4500 cząstek żelaza), a więc jest trudne do wykrycia. Opracowanie metody pozwalającej wykryć to znikome pole magnetyczne było celem naukowców. Zostało to osiągnięte za pomocą innowacyjnej technologii opartej na niewielkich rozmiarów syntetycznych nanocząstkach diamentu. Co ważne, diamenty nie są idealnie bezbarwne i transparentne, ponieważ zawierają defekty sieci krystalicznej, które są czynne optycznie, zapewniając tym samym zabarwienie. “Te barwne centra pozwalają nam zmierzyć orientację spinów elektronowych a tym samym siłę ich oddziaływań” – wyjaśnia prof. Fedor Jelezko, dyrektor Instytutu Optyki Kwantowej w Ulm. Kolejnym wyzwaniem okazało się opracowanie metody adsorpcji ferrytyny na powierzchni diamentu. “Udało się to osiągnąć dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym pomiędzy drobinami diamentu a białkiem ferrytyny” – dodaje prof. Weil. Następnym krokiem było zastosowanie modelowania teoretycznego, w celu potwierdzenia zgodności mierzonego sygnału z obecnością ferrytyny. Projekt okazał się bardzo dobrym narzędziem do badań immunologicznych potwierdzając swoją skuteczność w serii testów. Zespołu z Ulm planuje dodać w przyszłości możliwość precyzyjnego określenia ilości białek ferrytyny i średniej ilości żelaza poszczególnych białek.
Innowacyjna metoda stanowi pierwszy krok w kierunku realizacji grantu BioQ. Głównym założeniem projektu jest badanie własności kwantowych w biologii i tworzenie samoorganizujących się struktur diamentowych. “Czujniki diamentowe mogą być zatem stosowane w biologii i medycynie” – mówią jednogłośnie naukowcy z Ulm. Ich wynalazek ma swoje granice. Weryfikacja tego, czy dzieci rzeczywiście zjadły swój szpinak, leży ciągle w gestii rodziców…
Źródła:
[1] Diamonds by Kim Alaniz, flickr.com, CC BY 2.0
[2] http://www.alphagalileo.org/ViewItem.aspx?
ItemId=135044&CultureCode=en | 04.10.2013
[3] A. Ermakova, G. Pramanik, J.-M. Cai, G. Algara-Siller, U. Kaiser, T. Weil, Y.-K. Tzeng, H. C. Chang, L. P. McGuinness, M. B. Plenio, B. Naydenov, F. Jelezko. Detection of a Few Metallo-Protein Molecules Using Color Centers in Nanodiamonds. Nano Letters, 2013; 13 (7): 3305 DOI: 10.1021/nl4015233
[4] Iron-deficiency Anemia by Ed uthman, flickr.com, CC BY 2.0