Een Koreaans onderzoeksteam heeft met succes een gepatenteerde biosensortechnologie ontwikkeld met aanzienlijk verbeterde moleculaire gevoeligheid met behulp van het kunstmatige lipidemembraan dat het celmembraan nabootst. Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Yong-Sang Ryu van het Brain Science Institute en Dr. Chul Ki Kim van het Sensor System Research Center, in samenwerking met het onderzoeksteam onder leiding van professor Dong June Ahn van de afdeling Chemische en Biologische Technologie aan de Universiteit van Korea, ontwikkelde een technologie om de moleculaire detecteerbaarheid over het potentiometrische veldeffecttransistor (FET) -oppervlak te verbeteren via ion-impermeatie over het lipidemembraan.

Het was een uitdaging om de op FET gebaseerde moleculaire detectietechnologie te commercialiseren, een sensortechnologie die gebruik maakt van elektrische signalen, ondanks de voordelen bij de detectie van verschillende moleculen zoals virussen, eiwitten, en DNA. Dit komt voornamelijk door de ultradunne detectiebereiken voor moleculaire detectie onder hoge concentraties van ionen of elektrische lading van de analytoplossing.

Bijvoorbeeld, in één druppel bloed, het effectieve bereik van waaruit moleculen kunnen worden gedetecteerd via de potentiometrische sensorsonde is ongeveer 1 nm, die dunner is dan het te detecteren en te analyseren molecuul; daarom, het is moeilijk om het elektrische signaal te detecteren, zelfs als het molecuul in contact komt met de sensorsonde. Om deze hindernis te overwinnen, onderzoekers hebben strategieën geprobeerd, waaronder het verdunnen van de analytoplossing tot 100, 000-voudig om moleculaire detectie te verbeteren; echter, deze strategieën zijn niet succesvol geweest.

Daarom, het onderzoeksteam stelde het gebruik van het modelmembraan voor om dit obstakel te overwinnen. Het celmembraan van de mens regelt niet alleen de ionenconcentratie van de interne en externe omgeving, maar voorkomt ook dat een hoge concentratie ionen de cel binnenkomt. Het team concentreerde zich dus op dit specifieke kenmerk van het celmembraan-nabootsende systeem. Na herhaalde tests voor het aanbrengen van het celmembraan op het oppervlak van de op FET gebaseerde moleculaire detectiechip, er werd bevestigd dat molecuuldetectie mogelijk is zonder extra voorbehandeling, zelfs in een hooggeconcentreerde ionische oplossing.

Met deze nieuwe technologie, bekend als "membraan gecoat-FET (lipid-FET), " moleculen gesuspendeerd in sterk ionische geconcentreerde oplossing op het niveau van menselijk bloed kunnen worden gedetecteerd met een hogere gevoeligheid in vergelijking met die van de bestaande sensor, en verdunning van de oplossing tot 100, 000-voudig is niet vereist. Dit werd bevestigd als de hoogste prestatie van alle FET's die tot nu toe wereldwijd zijn gerapporteerd. Het onderzoeksteam verwacht dat deze technologie kan worden gebruikt om verschillende ziektegerelateerde zaken te diagnosticeren, zoals met dementie geassocieerde eiwitten, maar het is ook een platformtechnologie met uitgebreide toepasbaarheid als biosensoren op diverse gebieden, waaronder geneeskunde, gezondheidszorg, en de omgeving voor het opsporen van virale infecties en microplastics.

Dr. Yong-Sang Ryu van KIST beschreef de onderzoeksprestaties als "molecuuldetectie via lipide-FET met ionisch contrast over het membraan kan onmiddellijk worden toegepast op alle bestaande potentiometrische sensorplatforms die een elektrisch veld gebruiken om moleculen te detecteren."

Dr. Chul Ki Kim van KIST zei:"Studies voor het toepassen van de technologie op verschillende onderzoeksgebieden, zoals ziekten waarvan bekend is dat ze worden veroorzaakt door gemuteerde eiwitten die aan celmembranen zijn bevestigd, zoals de ziekte van Alzheimer, Ziekte van Parkinson, en suikerziekte, en technologie om snel en nauwkeurig een extreem klein aantal infectieuze virussen zoals COVID-19 en griep te detecteren, worden parallel uitgevoerd."

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het recente nummer van Natuurcommunicatie .