Voor de eerste keer, MIT-ingenieurs hebben sensoren ontworpen die afzonderlijke eiwitmoleculen kunnen detecteren zoals ze worden uitgescheiden door cellen of zelfs een enkele cel.

Deze sensoren, die bestaan ​​uit chemisch gemodificeerde koolstofnanobuizen, zou wetenschappers kunnen helpen met elke toepassing waarbij zeer kleine hoeveelheden eiwit moeten worden gedetecteerd, zoals het volgen van virale infecties, het monitoren van de productie van bruikbare eiwitten door cellen, of het onthullen van voedselverontreiniging, zeggen de onderzoekers.

"We hopen dergelijke sensorarrays te gebruiken om te zoeken naar de 'naald in een hooiberg', '" zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT. "Deze arrays vertegenwoordigen de meest gevoelige moleculaire detectieplatforms die we technologisch tot onze beschikking hebben. Je kunt ze functionaliseren zodat je de stochastische fluctuaties kunt zien van afzonderlijke moleculen die eraan binden."

Strano is de senior auteur van een 23 jan Natuur Nanotechnologie papier waarin de nieuwe sensoren worden beschreven. De hoofdauteur van het artikel is Markita Landry, een voormalig MIT-postdoc die nu een assistent-professor is aan de University of California in Berkeley.

Andere MIT-auteurs zijn onderzoekswetenschapper Hiroki Ando, voormalig afgestudeerde student Allen Chen, postdocs Jicong Cao en Juyao Dong, en universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica Timothy Lu. Vishal Kottadiel van Harvard University en Linda Chio en Darwin Yang van de University of California in Berkeley zijn ook auteurs.

Geen detectielimiet

Het laboratorium van Strano heeft eerder sensoren ontwikkeld die vele soorten moleculen kunnen detecteren, allemaal gebaseerd op modificaties van koolstofnanobuisjes - hol, nanometer dikke cilinders gemaakt van koolstof die van nature fluoresceren bij blootstelling aan laserlicht. Om van de nanobuisjes sensoren te maken, Strano's lab bedekt ze met DNA, eiwitten, of andere moleculen die aan een specifiek doelwit kunnen binden. Wanneer het doel is gebonden, de fluorescentie van de nanobuisjes verandert op een meetbare manier.

In dit geval, de onderzoekers gebruikten DNA-ketens, aptameren genaamd, om de koolstofnanobuisjes te coaten. Eerdere pogingen om DNA-aptameren te gebruiken zijn gedwarsboomd vanwege de moeilijkheid om het aptameer aan de nanobuis te laten kleven terwijl de configuratie behouden blijft die het nodig heeft om aan zijn doelwit te binden.

Landry overwon deze uitdaging door een "spacer" -sequentie toe te voegen tussen het gedeelte van de aptamer dat aan de nanobuis hecht en het gedeelte dat aan het doelwit bindt, waarbij elke regio de vrijheid krijgt om zijn eigen functie uit te oefenen. De onderzoekers demonstreerden met succes sensoren voor een signaaleiwit genaamd RAP1 en een viraal eiwit genaamd HIV1-integrase, en ze geloven dat de aanpak voor veel andere eiwitten zou moeten werken.

Om de eiwitproductie van afzonderlijke cellen te volgen, de onderzoekers zetten een reeks sensoren op een microscoopglaasje. Wanneer een enkele bacterie, menselijk, of gistcel wordt op de array geplaatst, de sensoren kunnen detecteren wanneer de cel een molecuul van het doeleiwit afscheidt.

"Nanosensor-arrays zoals deze hebben geen detectielimiet, ' zegt Strano. 'Ze kunnen tot op enkele moleculen kijken.'

Echter, er is een afweging - hoe minder moleculen er zijn, hoe langer het duurt om ze te voelen. Naarmate het molecuul schaarser wordt, detectie kan oneindig veel tijd in beslag nemen, zegt Strano.

"De nieuwe studie door Strano en collega's stelt een opwindende nieuwe benadering voor om eiwitten te detecteren tot op het niveau van een enkel molecuul, " zegt Robert Hurt, een professor in de techniek aan de Brown University die niet betrokken was bij het onderzoek. "Het werk duwt de voorhoede in de detectie van enkelvoudige eiwitten en kan onderzoekers in staat stellen om belangrijke, real-time moleculaire gebeurtenissen op eencellig niveau, zoals eiwitafgifte tijdens celdeling."

Handige hulpmiddelen

De sensorarrays kunnen nuttig zijn voor veel verschillende toepassingen, zeggen de onderzoekers.

"Dit platform zal een nieuw pad openen om sporen van eiwitten te detecteren die worden uitgescheiden door micro-organismen, "Dong zegt. "Het zal biologisch onderzoek bevorderen [naar] het genereren van signaalmoleculen, evenals de [inspanningen van de biofarmaceutische industrie om de gezondheid van micro-organismen en de productkwaliteit te controleren.”

Op farmaceutisch gebied, deze sensoren kunnen worden gebruikt om cellen te testen die zijn ontworpen om ziekten te helpen behandelen. Veel onderzoekers werken nu aan een aanpak waarbij artsen de eigen cellen van een patiënt zouden verwijderen, construeren om een ​​therapeutisch eiwit tot expressie te brengen, en plaats ze terug in de patiënt.

"We denken dat deze nanosensor-arrays nuttige hulpmiddelen zullen zijn om deze kostbare cellen te meten en ervoor te zorgen dat ze presteren zoals je wilt, ' zegt Strano.

Hij zegt dat onderzoekers de arrays ook kunnen gebruiken om virale infectie te bestuderen, neurotransmitter functie, en een fenomeen genaamd quorum sensing, waardoor bacteriën met elkaar kunnen communiceren om hun genexpressie te coördineren.