In een poging om de dodelijkheid van soldaten te vergroten, Legeronderzoekers ontwikkelen receptoren voor bioherkenning die in staat zijn tot consistente prestaties in omgevingen met meerdere domeinen met de mogelijkheid om realtime beoordelingen van de gezondheid en prestaties van soldaten te verzamelen.

"Het leger zal zich meer moeten aanpassen, meer expeditie en hebben een bijna nul logistieke vraag, terwijl de uitvoering van individuele tot squadrons in veelzijdige operationele omgevingen wordt geoptimaliseerd, " zei Dr. Matt Coppock, chemicus en teamleider voor het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command, het bedrijfsonderzoekslaboratorium van het leger, bekend als ARL. "Het is denkbaar dat realtime monitoring van gezondheid en prestaties, evenals het waarnemen van huidige en opkomende bedreigingen voor het milieu, zou een belangrijke set instrumenten kunnen zijn om dit mogelijk te maken."

ARL-wetenschappers, in samenwerking met onderzoekers van het California Institute of Technology en Indi Molecular, Inc., ontwikkelde een eiwit gekatalyseerde vangst, of PCC, agenttechnologie die eerdere versies van receptoren verbetert en de monitoring van persoonlijke en omgevingsgegevens van soldaten in het veld mogelijk maakt. Het onderzoek, gefinancierd door het leger's Institute of Collaborative Biotechnologies sinds 2012, wordt gepresenteerd in een uitgebreid overzichtsartikel voor Chemische beoordelingen .

"PCC-technologie heeft verbeteringen in receptorstabiliteit aangetoond, aanpasbaarheid en produceerbaarheid ten opzichte van standaard antilichaamreceptoren, en ondersteunt het Soldier Lethality Cross-Functional Team als een potentieel levensvatbare technologie om de prestaties van Soldiers te volgen via relevante biomarkers die verzameld kunnen worden door draagbare sensoren, ', zei Koppock.

Biologische receptoren zijn geïntegreerd in een biosensor om selectief een interessant doelwit te vangen uit een complex mengsel zoals bloed, zweet, salvia, enzovoort., om het meetbare effect door de sensor te produceren, hij zei.

"Zonder de receptor, het zou onmogelijk zijn om te weten dat je detecteert wat je wilt detecteren, ', zei Koppock.

Antilichamen die zijn verzameld van dieren die zijn geïnjecteerd met het beoogde doelwit, worden gebruikt als receptoren in biologische sensoren vanwege hun hoge bindingssterkten en selectiviteit voor het doelwit.

"Het werk van de gouden standaardreceptor is gebaseerd op antilichamen, die fantastisch zijn in het vastleggen van doelen en selectiviteit, maar hun detectiemogelijkheden zijn enigszins beperkt vanwege hun instabiliteit, beperkte houdbaarheid en prestatievariatie van batch tot batch, ', zei Koppock.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een andere en meer innovatieve aanpak.

"Als een alternatief, op peptiden gebaseerde receptoren zijn kleiner, eenvoudiger te produceren, goedkoop en veel robuuster tegen omgevingsinvloeden, met behoud van de gewenste bindingseigenschappen van een antilichaam, ', zei Koppock.

Receptoren die door het onderzoeksteam worden gebruikt, zijn in staat om bijna alle activiteit vast te houden nadat ze een uur op 90 graden Celsius zijn verwarmd, terwijl veel antilichamen binnen enkele minuten na verwarming tot meer dan 70 graden Celsius volledig inactief zijn.

"We gebruiken een volledig synthetische benadering van receptorontwikkeling, waardoor er veel meer controle is over de integratie van unieke bouwstenen om stabiliteit te garanderen en eenvoudige aanpassingen voor sensorintegratie mogelijk te maken, ', zei Koppock.

Het team bouwde een volledige infrastructuur van capaciteiten waarmee ze de synthetische, op peptiden gebaseerde receptoren in huis in het laboratorium, on-demand en in welke hoeveelheden dan ook via algemeen beschikbare peptidesynthesizers.

"Alle aspecten van de technologie zijn tijdens de samenwerking vooruitgegaan, met als hoogtepunt een ontwikkelingsmethodologie met hoge doorvoer, Coppock zei. "Deze aspecten omvatten het heroverwegen van targetingstrategieën, het upgraden van bibliotheekconstructies, het automatiseren van screeningstappen en het gelijktijdig karakteriseren van de prestaties van maximaal 100 verschillende peptidesequenties."

Onderzoekers zijn nu in staat om een ​​receptor van begin tot eind volledig te ontwikkelen in slechts twee tot drie weken nadat het beoogde doelwit is geïdentificeerd, hij zei. Dit proces nam voorheen zo'n vijf tot zes maanden in beslag.

"De huidige legerprogramma's zijn aan de gang om belangrijke biologische markers te bepalen die verband houden met de gezondheid en prestaties van soldaten, dus het vaststellen van de mogelijkheid voor snelle ontwikkeling van receptoren zal het laboratorium in staat stellen de ontdekking en analyse van biomarkers bij te houden en vooruit te gaan, ', zei Koppock.

Het team merkte op dat er nog steeds onderzoek wordt gedaan om het ontwerp- en selectieproces van nieuwe reagentia sneller te maken, zodat deze sensoren gemakkelijker op aanvraag kunnen worden geproduceerd. In aanvulling, ARL coördineert momenteel de inspanningen om te voorzien in de behoeften op het gebied van menselijke prestaties en voedsel- en waterveiligheid.

Andere mogelijke toepassingen van deze receptoren zijn onder meer bewaking van biodreigingen in de omgeving, gezondheidsdiagnostiek en therapieën, die de oorlogsjager aanzienlijk kunnen beïnvloeden.

Deze technologie heeft veel belangstelling getrokken in de wetenschappelijke en technologische gemeenschap van het leger, zoals collega-onderzoekers van het CCDC Soldier Center, CCDC Chemisch Biologisch Centrum en het Medisch Commando van het Leger.

Eerder, dit gezamenlijke onderzoek heeft biologische receptoren van Technology Readiness Level gerijpt, of TRL-2, naar TRL-4, inclusief de succesvolle integratie in meerdere testplatforms voor robuuste biologische detectie in sobere omgevingen en reagensovergang naar de CCDC CBC.