Chemische ingenieurs van MIT hebben een nieuwe manier ontwikkeld om nanodeeltjes te genereren die specifieke moleculen kunnen herkennen, het openen van een nieuwe benadering voor het bouwen van duurzame sensoren voor veel verschillende verbindingen, onder andere toepassingen.

Om deze "synthetische antilichamen te maken, " gebruikten de onderzoekers koolstofnanobuisjes - hol, nanometer dikke cilinders gemaakt van koolstof die van nature fluoresceren bij blootstelling aan laserlicht. Vroeger, onderzoekers hebben dit fenomeen uitgebuit om sensoren te maken door de nanobuisjes te coaten met moleculen, zoals natuurlijke antistoffen, die binden aan een bepaald doel. Wanneer het doelwit wordt gevonden, de fluorescentie van de koolstofnanobuis wordt helderder of zwakker.

Het MIT-team ontdekte dat ze nieuwe sensoren konden maken door de nanobuisjes te coaten met speciaal ontworpen amfifiele polymeren - polymeren die worden aangetrokken door zowel olie als water, zoals zeep. Deze aanpak biedt een enorm scala aan herkenningssites die specifiek zijn voor verschillende doelen, en zou kunnen worden gebruikt om sensoren te maken om ziekten zoals kanker, ontsteking, of diabetes in levende systemen.

"Deze nieuwe techniek geeft ons een ongekend vermogen om elk doelmolecuul te herkennen door nanobuis-polymeercomplexen te screenen om synthetische analogen voor antilichaamfunctie te creëren, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en senior auteur van de studie, die verschijnt in de online editie van 24 november van Natuur Nanotechnologie .

Hoofdauteurs van het artikel zijn de recente PhD-ontvanger Jingqing Zhang, postdoc Markita Landry, en voormalig postdocs Paul Barone en Jong-Ho Kim.

Synthetische antilichamen

De nieuwe op polymeren gebaseerde sensoren bieden een synthetische ontwerpbenadering voor de productie van moleculaire herkenningssites - waardoor, onder andere toepassingen, de detectie van een potentieel oneindige bibliotheek van doelen. Bovendien, deze benadering kan een duurzamer alternatief bieden voor het coaten van sensoren zoals koolstofnanobuisjes met echte antilichamen, die in levende cellen en weefsels kunnen afbreken. Een andere familie van veelgebruikte herkenningsmoleculen zijn DNA-aptameren, dat zijn korte stukjes DNA die interageren met specifieke doelen, afhankelijk van de aptamersequentie. Echter, er zijn geen aptameren die specifiek zijn voor veel moleculen die men zou willen detecteren, zegt Strano.

In de nieuwe krant de onderzoekers beschrijven moleculaire herkenningsplaatsen die het mogelijk maken om sensoren te maken die specifiek zijn voor riboflavine, estradiol (een vorm van oestrogeen), en L-thyroxine (een schildklierhormoon), maar ze werken nu aan locaties voor veel andere soorten moleculen, inclusief neurotransmitters, koolhydraten, en eiwitten.

Hun aanpak maakt gebruik van een fenomeen dat optreedt wanneer bepaalde soorten polymeren zich binden aan een koolstofnanobuisje. Deze polymeren, bekend als amfifiele, hebben zowel hydrofobe als hydrofiele gebieden. Deze polymeren zijn zo ontworpen en gesynthetiseerd dat wanneer de polymeren worden blootgesteld aan koolstofnanobuizen, de hydrofobe gebieden klikken als ankers op de buizen en de hydrofiele gebieden vormen een reeks lussen die zich van de buizen af ​​uitstrekken.

Deze lussen vormen een nieuwe laag rond de nanobuis, bekend als een corona. De MIT-onderzoekers ontdekten dat de lussen in de corona heel precies langs de buis zijn gerangschikt, en de afstand tussen de ankers bepaalt welk doelmolecuul zich in de lussen kan vastzetten en de fluorescentie van de koolstofnanobuis kan veranderen.

Moleculaire interacties

Wat uniek is aan deze aanpak, zeggen de onderzoekers, is dat de moleculaire herkenning niet kon worden voorspeld door te kijken naar de structuur van het doelmolecuul en het polymeer voordat het zich hecht aan de nanobuis.

"Het idee is dat een chemicus niet naar het polymeer zou kunnen kijken en begrijpen waarom dit het doelwit zou herkennen, omdat het polymeer zelf deze moleculen niet selectief kan herkennen. Het moet op de nanobuis adsorberen en dan, door bepaalde delen van het polymeer bloot te leggen, het vormt een bindingsplaats, ' zegt Strano.

Laurent Cognet, een senior wetenschapper aan het Instituut voor Optica van de Universiteit van Bordeaux, zegt dat deze aanpak nuttig zou moeten zijn voor veel toepassingen die betrouwbare detectie van specifieke moleculen vereisen.

"Dit nieuwe concept, gebaseerd op de moleculaire herkenning van de geadsorbeerde fase zelf, vereist geen gebruik van antilichamen of gelijkwaardige moleculen om specifieke molecuulherkenning te bereiken en biedt dus een veelbelovende alternatieve route voor 'on demand' moleculaire detectie, " zegt Cognet, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam.

De onderzoekers gebruikten een geautomatiseerd, robot-geassisteerde trial-and-error-procedure om ongeveer 30 met polymeer gecoate nanobuisjes te testen tegen drie dozijn mogelijke doelen, leverde drie treffers op. Ze werken nu aan een manier om dergelijke polymeer-nanobuis-interacties te voorspellen op basis van de structuur van de coronalagen, met behulp van gegevens die zijn gegenereerd met een nieuw type microscoop dat Landry heeft gebouwd om de interacties tussen de corona's van koolstofnanobuisjes en hun doelen in beeld te brengen.

"Wat er met het polymeer en de coronafase gebeurt, was een beetje een mysterie, dus dit is een stap voorwaarts in het verkrijgen van meer gegevens om het probleem aan te pakken van het ontwerpen van een doelwit voor een specifiek molecuul, ' zegt Landry.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.