Inspireret af naturlige signaler i levende celler, forskere designer kunstig gasdetektor

En terning på en 40-del på størrelse med et menneskeligt rødt blodlegeme kan lyse, når det registrerer brændbar gas. Nanokuben, designet af kemikere ved University of Tokyo, er en del af et forskningsprojekt, der skal udvikle kunstige systemer, der efterligner den komplekse kæde af begivenheder inde i levende celler.

Forskerholdet har arbejdet på nanocube-projektet i over et årti. En nøglefunktion ved nanokuben, kun to nanometer på hver side, er, at det sætter sig selv sammen, forsøger at efterligne den måde, proteiner og DNA sætter sig sammen på i levende celler.

Efterligner livet

"Folk tænker automatisk på enheder, når vi taler om sensorer. Men der er mange eksempler på naturlige sensorer i kroppen, " sagde professor Shuichi Hiraoka, ledende forsker på projektet fra Tokyos universitets afdeling for grundvidenskab.

Den grundlæggende kæde af begivenheder i en celle for at detektere og rapportere et eller andet signal har tre trin:(1) En receptor detekterer målmolekylet, (2) receptoren sender et signal til reporteren og (3) reporteren sender signalet et andet sted i cellen.

Den glødende nanokube forenkler systemet, fordi det både er receptoren (terningens inderside) og reporteren (gløden). "Denne måde, vi undgår problemet med at overføre information fra modtageren til reporteren, " forklarede Hiraoka.

Nanocube-sensorer omslutter fuldt ud de molekyler, de indeholder, hvilket betyder, at de kan være særligt nyttige til at skelne mellem molekyler, der er formet som simple kæder af forskellig længde (alkaner) uden unikke funktionelle grupper.

Glødende med gas

Den seneste analyse afslører, at nanokuberne lyser blåt under ultraviolet (UV) lys, når de er fyldt med flydende petroleumsgas (LPG), en type brændbar gas. Kemikaliet, som terningen er lavet af, er et hvidt pulver, når det er tørt, men når det blandes i vand, seks gear- eller snefnugformede molekyler forbindes automatisk for at danne kuberne. Den naturlige glød, eller fluorescens, af nanokuberne er en balance mellem to konkurrerende fysiske egenskaber ved disse molekyler:Gløden er begrænset, når molekylerne er stablet som pandekager, men forstærkes, når molekylerne låses på plads og strækkes lidt fra hinanden.

Tre molekyler samles i hvert hjørne af terningen, så deres kanter er "stablet" sammen, begrænser gløden. Når kuben fyldes med gas, hjørnerne buler lidt, og det stræk forstærker gløden.

Nanocube gasdetektorer

Forskerne byggede en billig, simpel gasdetektor, der kun bruger nanokuberne, et almindeligt UV-lys og en fluorescerende lysdetektor. Nanokuberne er lige så følsomme som enhver nuværende gasdetektor, hvilket betyder, at de kunne detektere meget lave mængder LPG.

Imidlertid, nanokuberne er utroligt specifikke for LPG. De opdager ikke andre lignende typer brændbar gas, såsom metan (naturgas) eller kuldioxid (CO ₂ ). Denne specificitet opstår sandsynligvis, fordi præcis tre molekyler af LPG går ind som blokke i spillet Tetris for en perfekt pasform inde i nanokuben.

Almindelige gasdetektorer har ikke denne specificitet og vil udløse en alarm for enhver type farlig gas. "Det faktum, at almindelige sensorer ikke kan skelne disse lignende gasser, er virkelig ikke noget problem, fordi de alle er farlige for os, " sagde Hiraoka.

I stedet for at designe en ny gasdetektor, forskernes sande mål er at efterligne den komplekse kæde af begivenheder for at detektere og rapportere signaler i levende celler. Forskere planlægger yderligere projekter for at ændre nanokubernes byggesten, så kuberne kan detektere forskellige molekyler og rapportere forskellige signaler.