Bærbare sensorer kunne udnytte bioteknologi til at overvåge personlige, miljødata

I et forsøg på at øge soldaternes dødelighed, Hærens forskere udvikler biogenkendelsesreceptorer, der er i stand til ensartet ydeevne i miljøer med flere domæner med evnen til at indsamle realtidsvurderinger af soldaters helbred og ydeevne.

"Hæren bliver nødt til at være mere tilpasningsdygtig, mere ekspeditionerende og har en logistisk efterspørgsel på næsten nul, mens den optimerer individuel til hold eksekvering i mangefacetterede operationelle miljøer, " sagde Dr. Matt Coppock, kemiker og teamleder for U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory, hærens virksomhedsforskningslaboratorium kendt som ARL. "Det kan forestilles, at sundheds- og præstationsovervågning i realtid, samt fornemmelse af aktuelle og nye miljøtrusler, kunne være et nøglesæt af værktøjer til at gøre dette muligt."

ARL videnskabsmænd, i samarbejde med forskere fra California Institute of Technology og Indi Molecular, Inc., udviklet en proteinkatalyseret indfangning, eller PCC, agentteknologi, der forbedrer tidligere versioner af receptorer og kunne muliggøre overvågning af personlige og miljømæssige data fra soldater i felten. Forskningen, finansieret af hærens institut for kollaborative bioteknologier siden 2012, præsenteres i en omfattende oversigtsartikel for Kemiske anmeldelser .

"PCC-teknologi har vist forbedringer i receptorstabilitet, tilpasningsevne og fremstillingsevne i forhold til standard antistofreceptorer, og understøtter Soldier Lethality Cross-Functional Team som en potentielt levedygtig teknologi til at overvåge Soldiers præstation via relevante biomarkører, der kan indsamles fra bærbare sensorer, " sagde Coppock.

Biologiske receptorer er integreret i en biosensor for selektivt at fange et mål af interesse fra en kompleks blanding som blod, sved, salvia, etc., at producere den målbare effekt af sensoren, han sagde.

"Uden receptoren, det ville være umuligt at vide, at du opdager det, du vil opdage, " sagde Coppock.

Antistoffer indsamlet fra dyr, der er injiceret med målet af interesse, bruges som receptorer i biologiske sensorer på grund af deres høje bindingsstyrker og selektivitet for målet.

"Guldstandard-receptorarbejdet er baseret på antistoffer, som er fantastiske til målfangst og selektivitet, men deres detektionsmuligheder er noget begrænset på grund af deres ustabilitet, begrænset holdbarhed og batch-til-batch ydeevne variation, " sagde Coppock.

Forskerholdet udviklede en anderledes og mere innovativ tilgang.

"Som et alternativ, peptid-baserede receptorer er mindre, nemmere at producere, billig og meget mere robust over for miljøbelastninger, mens de stadig bevarer de ønskede bindingsegenskaber af et antistof, " sagde Coppock.

Receptorer brugt af forskerholdet er i stand til at fastholde næsten al aktivitet efter at være blevet opvarmet i en time ved 90 grader Celsius, hvorimod mange antistoffer er fuldstændig inaktive inden for få minutter efter opvarmning til mere end 70 grader Celsius.

"Vi bruger en fuldstændig syntetisk tilgang til receptorudvikling, som giver mulighed for meget mere kontrol over inkorporeringen af ​​unikke byggeklodser for at garantere stabilitet og tillade ligetil modifikationer til sensorintegration, " sagde Coppock.

Holdet byggede en komplet infrastruktur af funktioner, der giver dem mulighed for fuldt ud at udvikle det syntetiske, peptid-baserede receptorer i huset på laboratoriet, on-demand og i hvilke mængder der er behov for gennem bredt tilgængelige peptidsynthesizere.

"Alle aspekter af teknologien har udviklet sig gennem hele samarbejdet, hvilket kulminerede i en udviklingsmetodologi med høj gennemstrømning, " sagde Coppock. "Disse aspekter omfattede genovervejelse af målretningsstrategier, opgradering af bibliotekskonstruktioner, automatisere screeningstrin og samtidig karakterisere ydeevnen af ​​op til 100 forskellige peptidsekvenser."

Forskere er nu i stand til fuldt ud at udvikle en receptor fra start til slut på så lidt som to til tre uger, når målet af interesse er identificeret, han sagde. Denne proces tog tidligere omkring fem til seks måneder.

"Nuværende hærprogrammer er i gang for at bestemme vigtige biologiske markører, der korrelerer med soldaters sundhed og ydeevne, så etablering af evnen til hurtig udvikling af receptorer vil give laboratoriet mulighed for at følge med og fremme opdagelsen og analysen af ​​biomarkører, " sagde Coppock.

Holdet bemærkede, at forskningen fortsætter med at gøre design- og udvælgelsesprocessen for nye reagenser hurtigere for at gøre disse sensorer nemmere at fremstille efter behov. Ud over, ARL koordinerer i øjeblikket indsatsen for at imødekomme sansningsbehov inden for menneskelig præstation og fødevare- og vandsikkerhed.

Andre potentielle anvendelser af disse receptorer omfatter miljømæssig biotrusselsovervågning, sundhedsdiagnostik og -terapi, hvilket kan påvirke krigskæmperen markant.

Denne teknologi har vakt stor interesse i hele hærens videnskabs- og teknologisamfund, såsom medforskere ved CCDC Soldier Center, CCDC Chemical Biological Center og Hærens medicinske kommando.

Tidligere, denne kollaborative forskning har modnet biologiske receptorer fra Technology Readiness Level, eller TRL-2, til TRL-4, herunder den vellykkede integration i flere assay-platforme til robust biologisk sensing i barske miljøer og reagensovergang til CCDC CBC.