(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Penn hebben geholpen bij de ontwikkeling van een nanotech-apparaat dat koolstofnanobuisjes combineert met olfactorische receptoreiwitten, de celcomponenten in de neus die geuren detecteren.

Omdat reukreceptoren tot een grotere klasse eiwitten behoren die betrokken zijn bij het doorgeven van signalen door het celmembraan, deze apparaten kunnen toepassingen hebben die verder gaan dan geurdetectie, zoals farmaceutisch onderzoek.

Het onderzoek werd geleid door professor A.T. Charlie Johnson, postdoctoraal fellow Brett R. Goldsmith en afgestudeerde student Mitchell T. Lerner van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de School of Arts and Sciences, samen met assistent-professor Bohdana M. Discher en postdoctoraal fellow Joseph J. Mitala Jr. van de afdeling Biofysica en Biochemie aan de Penn's Perelman School of Medicine. Ze werkten samen met onderzoekers van het Monell Chemical Senses Center, de Universiteit van Miami, de Universiteit van Illinois, Princeton University en twee particuliere bedrijven, Nanosense Inc. en Evolved Machines Inc.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het Penn-team werkte met olfactorische receptoren afgeleid van muizen, maar alle reukreceptoren maken deel uit van een klasse van eiwitten die bekend staat als G-eiwitgekoppelde receptoren, of GPCR's. Deze receptoren zitten op het buitenmembraan van cellen, waar bepaalde chemicaliën in het milieu zich eraan kunnen binden. De bindende werking is de eerste stap in een chemische cascade die leidt tot een cellulaire respons; in het geval van een reukreceptor, deze cascade leidt tot de perceptie van een geur.

Het Penn-team slaagde erin een interface te bouwen tussen dit gecompliceerde eiwit en een koolstofnanobuistransistor, waardoor ze de chemische signalen die de receptor normaal produceert, kunnen omzetten in elektrische signalen, die in een willekeurig aantal tools en gadgets kunnen worden opgenomen.

“Onze nanotech-apparaten zijn uitleeselementen; ze afluisteren wat de reukreceptoren aan het doen zijn, specifiek welke moleculen eraan zijn gebonden, ' zei Johnson.

Omdat de specifieke GPCR waarmee het team werkte een olfactorische receptor was, de testcase voor hun nanobuis-apparaat moest functioneren als sensor voor chemicaliën in de lucht.

“Als er iets in de atmosfeer is dat zich aan dit molecuul wil binden, het signaal dat we door de nanobuis krijgen, gaat over welk deel van de tijd iets gebonden is of niet. Dat betekent dat we een aaneengesloten uitlezing kunnen krijgen die indicatief is voor de concentratie van het molecuul in de lucht, ' zei Johnson.

Hoewel je je zou kunnen voorstellen deze nanobuisjes op te schalen tot een synthetische neus - een maken voor elk van de ongeveer 350 olfactorische GPCR's in een menselijke neus, of de 1, 000 gevonden in een hond - Johnson denkt dat medische toepassingen veel dichterbij zijn om gerealiseerd te worden.

"GPCR's zijn veelvoorkomende doelwitten voor geneesmiddelen, ' zei hij. “Omdat bekend is dat ze erg belangrijk zijn in interacties tussen de celomgeving, ze zijn erg belangrijk met betrekking tot ziektepathologie. Wat dat betreft, we hebben nu een manier om te onderzoeken waar die GPCR's daadwerkelijk op reageren. Je kunt je voorstellen dat je een chip bouwt met veel van deze apparaten, elk met verschillende GPCR's, en ze allemaal tegelijk bloot te stellen aan verschillende medicijnen om te zien welke effectief is in het uitlokken van een reactie.”

Uitzoeken welke soorten medicijnen het meest effectief binden aan GPCR's is belangrijk omdat pathogenen vaak ook via die receptoren aanvallen. Hoe beter een onschadelijke chemische stof hecht aan een relevante GPCR, hoe beter het is in het blokkeren van de ziekte.

Het Penn-team heeft ook technische vooruitgang geboekt bij het stabiliseren van GPCR's voor toekomstig onderzoek.

“In het verleden, als je een eiwit uit een cel haalt en op een apparaat legt, het kan een dag duren. Maar hier, we hebben het ingebed in een kunstmatig celmembraan op nanoschaal, die een nanoschijf wordt genoemd, ' zei Johnson. “Toen we dat deden, ze duurden twee en een halve maand, in plaats van een dag.”

Het verlengen van de levensduur van dergelijke apparaten kan gunstig zijn voor twee wetenschappelijke gebieden met toenemende overlap, zoals blijkt uit de grote, interdisciplinair onderzoeksteam betrokken bij het onderzoek.

“Het grote plaatje is de integratie van nanotechnologie met biologie, ' zei Johnson. "Deze gecompliceerde moleculaire machines zijn de belangrijkste communicatiemethode tussen het binnenste van de cel en het exterieur, en nu integreren we hun functionaliteit met onze nanotech-apparaten.”