Een kubus van een tot veertigste van de grootte van een menselijke rode bloedcel kan gloeien wanneer hij ontvlambaar gas detecteert. De nanokubus, ontworpen door chemici van de Universiteit van Tokyo, maakt deel uit van een onderzoeksproject om kunstmatige systemen te ontwikkelen die de complexe keten van gebeurtenissen in levende cellen nabootsen.

Het onderzoeksteam heeft meer dan tien jaar aan het nanocube-project gewerkt. Een belangrijk kenmerk van de nanokubus, slechts twee nanometer aan elke kant, is dat het zichzelf in elkaar zet, proberen de manier na te bootsen waarop eiwitten en DNA zich in levende cellen samenvoegen.

Het leven nabootsen

"Mensen denken automatisch aan apparaten als we het over sensoren hebben. Maar er zijn veel voorbeelden van natuurlijke sensoren in het lichaam, " zei professor Shuichi Hiraoka, de hoofdonderzoeker van het project van de afdeling Basiswetenschappen van de Universiteit van Tokyo.

De basisketen van gebeurtenissen in een cel om een ​​signaal te detecteren en te rapporteren, bestaat uit drie stappen:(1) Een receptor detecteert het doelmolecuul, (2) de receptor zendt een signaal naar de reporter en (3) de reporter zendt het signaal elders in de cel uit.

De gloeiende nanokubus vereenvoudigt het systeem omdat het zowel de receptor (de binnenkant van de kubus) als de reporter (de gloed) is. "Op deze manier, we vermijden het probleem van het overbrengen van informatie van de receptor naar de verslaggever, " legde Hiraoka uit.

Nanocube-sensoren omhullen de moleculen die ze bevatten volledig, wat betekent dat ze vooral nuttig kunnen zijn om onderscheid te maken tussen moleculen die de vorm hebben van eenvoudige ketens van verschillende lengtes (alkanen) zonder unieke functionele groepen.

Gloeiend met gas

Uit de laatste analyse blijkt dat de nanokubussen blauw gloeien onder ultraviolet (UV) licht wanneer ze gevuld zijn met vloeibaar petroleumgas (LPG), een soort ontvlambaar gas. De chemische stof waarvan de kubus is gemaakt, is een wit poeder als het droog is, maar wanneer gemengd in water, zes tandwiel- of sneeuwvlokvormige moleculen verbinden zich automatisch om de kubussen te vormen. De natuurlijke glans, of fluorescentie, van de nanokubussen is een balans van twee concurrerende fysieke kenmerken van die moleculen:de gloed is beperkt wanneer de moleculen als pannenkoeken op elkaar worden gestapeld, maar wordt versterkt wanneer de moleculen op hun plaats worden vergrendeld en enigszins van elkaar worden uitgerekt.

Op elke hoek van de kubus komen drie moleculen samen, zodat hun randen op elkaar worden "gestapeld", de gloed beperken. Wanneer de kubus zich vult met gas, de hoeken puilen iets uit en die rek versterkt de glans.

Nanocube gasdetectoren

De onderzoekers bouwden een goedkope, eenvoudige gasdetector die alleen de nanokubussen gebruikt, een gewoon UV-licht en een fluorescentielichtdetector. De nanokubussen zijn net zo gevoelig als elke huidige gasdetector, wat betekent dat ze zeer kleine hoeveelheden LPG konden detecteren.

Echter, de nanokubussen zijn ongelooflijk specifiek voor LPG. Ze detecteren geen andere soortgelijke soorten ontvlambaar gas, zoals methaan (aardgas) of kooldioxide (CO ₂ ). Deze specificiteit treedt waarschijnlijk op omdat precies drie LPG-moleculen in dezelfde blokken in het spel Tetris passen voor een perfecte pasvorm in de nanokubus.

Gemeenschappelijke gasdetectoren hebben deze specificiteit niet en zullen alarm slaan voor elk type gevaarlijk gas. "Het feit dat gewone sensoren deze vergelijkbare gassen niet kunnen onderscheiden, is echt geen probleem, omdat ze allemaal gevaarlijk voor ons zijn, ' zei Hiraoka.

In plaats van een nieuwe gasdetector te ontwerpen, het echte doel van de onderzoekers is om de complexe keten van gebeurtenissen na te bootsen om signalen in levende cellen te detecteren en te rapporteren. Onderzoekers plannen aanvullende projecten om de bouwstenen van de nanokubussen te veranderen, zodat de kubussen verschillende moleculen kunnen detecteren en verschillende signalen kunnen rapporteren.