(Phys.org) —Bij bijna elk biologisch proces wordt de aanwezigheid van een bepaalde chemische stof waargenomen. Fijn afgestemd over miljoenen jaren van evolutie, de verschillende receptoren van het lichaam zijn gevormd om bepaalde doelchemicaliën te accepteren. Als ze binden, de receptoren vertellen hun gastheercellen om zenuwimpulsen te produceren, reguleren de stofwisseling, het lichaam verdedigen tegen indringers, of talloze andere acties, afhankelijk van de cel, receptor, en chemisch type.

Nutsvoorzieningen, Penn-onderzoekers creëerden een kunstmatige chemische sensor op basis van een van de belangrijkste receptoren van het menselijk lichaam - een die cruciaal is voor de werking van pijnstillers en anesthetica. Bij deze apparaten de activering van de receptoren produceert een elektrische respons in plaats van een biochemische, waardoor dat antwoord door een computer kan worden uitgelezen.

Door een aangepaste versie van deze mu-opioïde receptor te hechten aan stroken grafeen, onderzoekers hebben een manier getoond om apparaten in massa te produceren die nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van geneesmiddelen en een verscheidenheid aan diagnostische tests.

Hun studie combineert recente ontwikkelingen van verschillende disciplines en laboratoria op de campus, waaronder die van A.T. Charlie Johnson, directeur van Penn's Nano/Bio Interface Center en hoogleraar natuurkunde in Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, universitair docent anesthesiologie aan de Perelman School of Medicine, en Jeffery Saven, hoogleraar scheikunde in Penn Arts &Sciences.

De groepen van Saven en Liu hebben computationele technieken gebruikt om de mu-opioïde receptor opnieuw te ontwerpen om het gebruik in onderzoek gemakkelijker te maken. In zijn natuurlijke staat, de receptor is niet oplosbaar in water, waardoor veel gangbare experimentele technieken onmogelijk zijn. Slechter, eiwitten zoals deze receptor zouden normaal gesproken massaal worden gekweekt met behulp van genetisch gemanipuleerde bacteriën, maar delen van de natuurlijke mu-opioïde receptor zijn toxisch voor de E. coli die bij deze methode wordt gebruikt.

Nadat Saven en Liu deze problemen hadden aangepakt met de opnieuw ontworpen receptor, ze zagen dat het nuttig zou kunnen zijn voor Johnson, die eerder een studie had gepubliceerd over het bevestigen van een soortgelijk receptoreiwit aan koolstofnanobuisjes. In dat geval, het eiwit was genetisch moeilijk te kweken, en moesten aanvullende biologische structuren van de natuurlijke membranen van de receptoren worden opgenomen om stabiel te blijven.

Saven en Liu's computationeel herontworpen eiwit, echter, gemakkelijk kan worden gekweekt en direct aan grafeen kan worden gehecht, het openen van de mogelijkheid van massaproductie van biosensor-apparaten die deze receptoren gebruiken.

"Dit is het soort project dat de Penn-campus mogelijk maakt, ' zegt Saven. 'Zelfs met de medische school aan de overkant en de afdeling Natuurkunde in de buurt, Ik denk niet dat we zo hechte medewerkers zouden zijn zonder dat het Nano/Bio Interface Center ons zou ondersteunen."

Met Saven en Liu die een versie van de receptor leveren die stabiel kan binden aan vellen grafeen, Johnson's team verfijnde het productieproces. Beginnend met een vel grafeen van ongeveer 15 cm breed en 30 cm lang, de onderzoekers scheidden ze in linten van een centimeter lang en ongeveer 50 micron breed. Vervolgens, ze plaatsten de linten bovenop geprefabriceerde schakelingen.

Eenmaal bevestigd aan de linten, de opioïde-receptoren kunnen veranderingen in de elektrische eigenschappen van het omringende grafeen produceren wanneer ze zich aan hun doelwit binden. Die veranderingen produceren elektrische signalen die via aangrenzende elektroden naar een computer worden verzonden, elke set vertegenwoordigt een afzonderlijk apparaat.

"We kunnen elk apparaat afzonderlijk meten en de resultaten middelen, die het geluid sterk vermindert, ", zegt Johnson. "Of je kunt je voorstellen dat je 10 verschillende soorten receptoren aan elk 20 apparaten koppelt, allemaal op dezelfde chip, als je op meerdere chemicaliën tegelijk wilt testen."

In het experiment van de onderzoeker ze testten het vermogen van hun apparaten om de concentratie van naltrexon te detecteren, een medicijn dat wordt gebruikt bij de behandeling van alcohol- en opioïdenverslaving omdat het zich bindt aan - en blokkeert - de natuurlijke opioïdreceptoren die de narcotische effecten produceren die patiënten zoeken.

"Het is niet duidelijk of de receptoren op de apparaten net zo selectief zijn als in de biologische context, "Save zegt, "zoals die op uw cellen die het verschil kunnen zien tussen een agonist, zoals morfine, en een tegenstander, zoals naltrexon, die zich aan de receptor bindt maar niets doet. Door te werken met de receptor-gefunctionaliseerde grafeenapparaten, echter, we kunnen niet alleen betere diagnostische hulpmiddelen maken, maar we kunnen mogelijk ook een beter begrip krijgen van hoe het bimoleculaire systeem in het lichaam werkt."

Liu merkt op dat er door de eeuwen heen veel nieuwe opioïden zijn ontwikkeld, echter, geen van hen heeft krachtige pijnstillende effecten bereikt zonder beruchte bijwerkingen, waaronder verwoestende verslaving en ademhalingsdepressie.

"Deze nieuwe tool kan mogelijk helpen bij de ontwikkeling van nieuwe opioïden die deze bijwerkingen minimaliseren, " hij zegt.

Overal waar deze apparaten toepassingen vinden, ze zijn een bewijs van het potentiële nut van het Nobelprijswinnende materiaal waarop ze zijn gebaseerd.

"Grafeen geeft ons een voordeel, "Johnson zegt, "in die zin dat zijn uniformiteit ons in staat stelt 192 apparaten op een chip van één inch te maken, alles tegelijkertijd. Er zijn nog een aantal dingen die we moeten regelen, maar dit is zeker een manier om deze apparaten in grote hoeveelheden te maken."