Onderzoekers hebben een systeem ontworpen dat snel de specifieke biologische moleculen herkent die op ziekte kunnen duiden.

Het team van Imperial College London heeft een sensor op nanoschaal ontwikkeld die selectief eiwitmoleculen kan detecteren op het niveau van één molecuul. die zouden kunnen helpen bij de klinische diagnose in een vroeg stadium.

Bij het analyseren van lichaamsvloeistofmonsters op signalen van een ziekte, wetenschappers zijn vaak op zoek naar zeer zeldzame moleculen in een complex mengsel. Om zulke 'naalden in een hooiberg' te vinden, wetenschappers gebruiken vaak methoden die afzonderlijke moleculen tegelijk detecteren.

Een veelbelovende technologie is nanopore sensing, waarbij individuele moleculen door een heel klein gaatje ter grootte van een nanometer worden gevoerd. Dit proces zorgt ervoor dat elk molecuul zijn eigen unieke signatuur produceert, zonder de noodzaak van langdurige monstervoorbereiding of chemische modificatie.

Echter, verschillende moleculen van dezelfde grootte kunnen zeer vergelijkbare signalen produceren, waardoor het moeilijk is om het doelmolecuul uniek te identificeren.

Om dit probleem op te lossen, een team onder leiding van Imperial College London heeft een systeem ontwikkeld op basis van een nanoporie en een transistor op nanoschaal, die doelmoleculen kunnen herkennen op een vergelijkbare manier als biologische receptoren. De details van hun nieuwe systeem worden vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Slot en sleutel

Receptoren herkennen moleculen met bepaalde vormen en binden daaraan in een slot-en-sleutelmechanisme. In dit onderzoek, de transistor op nanoschaal was gemaakt van een polymeermateriaal dat bedrukt kon worden met een bindingsplaats - 'het slot'. Hierdoor kan het systeem de enige overeenkomende 'sleutel' detecteren:een specifiek doelmolecuul.

Om te testen of het systeem werkt zoals verwacht, het team gebruikte het om het antilichaam te detecteren dat zich aan insuline bindt, een belangrijk mechanisme bij de diagnose van diabetes. Echter, het team zegt dat het systeemontwerp ook gemakkelijk kan worden toegepast bij de detectie van een veel breder scala aan biologische moleculen.

Co-auteur van de studie Professor Joshua Edel, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei:"We hebben aangetoond dat we een polymeer bij de ingang van de nanoporie kunnen afdrukken met de vorm van het natuurlijke 'slot' op het 'sleutel'-molecuul waarnaar we op zoek zijn, het nabootsen van biologische receptoren."

Poort openen en sluiten

De onderzoekers hebben ook een andere functie aan het nieuwe systeem toegevoegd om een ​​ander probleem op te lossen bij het detecteren van nanoporiën:als moleculen te snel door de nanoporie gaan, ze worden mogelijk niet gedetecteerd.

Ze voegden een elektrode toe die was bevestigd aan de polymeercoating van de porie, het vormen van een transistor op nanoschaal, waarop een spanning zou kunnen staan. Hierdoor werkt de porie als een poort - de aangelegde spanning kan de poort 'openen' of 'sluiten', regelen van het transport van moleculen door de porie.

Dr. Aleksandar Ivanov, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei:"We hebben nu een echt afstembare biosensor. Door nieuwe complexiteit aan het systeem toe te voegen, kunnen we het transport van moleculen regelen en hebben we meer tijd om een ​​specifiek molecuul te bestuderen."

Professor Joeri Korchev, van de afdeling Geneeskunde van Imperial, toegevoegd:"Het complete systeem combineert concentratie, instelbare snelheid en selectiviteit, die klinisch relevant zullen zijn bij het zoeken naar zeldzame eiwitten zoals specifieke soorten antilichamen en DNA-moleculen."