Udvikling af cellulær membran-FET (lipid-FET) til følsomhed af biosensor

Et koreansk forskerhold udviklede med succes en proprietær biosensorteknologi med betydeligt forbedret molekylær følsomhed ved hjælp af den kunstige lipidmembran, der efterligner cellulær membran. Forskergruppen ledet af Dr. Yong-Sang Ryu fra Brain Science Institute og Dr. Chul Ki Kim fra Sensor System Research Center, i samarbejde med forskerteamet ledet af professor Dong June Ahn fra Institut for Kemisk og Biologisk Teknik ved Korea University, udviklet en teknologi til at forbedre den molekylære påviselighed over den potentiometriske felt-effekt transistor (FET) overflade via ion-impermeation hen over lipidmembranen.

Det har været noget udfordrende at kommercialisere den FET-baserede molekylære detektionsteknologi, en sensorteknologi ved hjælp af elektriske signaler, på trods af dets fordele ved påvisning af forskellige molekyler såsom vira, proteiner, og DNA. Dette skyldes hovedsageligt de ultratynde detektionsområder for molekylær detektion under høj koncentration af ioner eller elektrisk ladning af analytopløsningen.

For eksempel, i en dråbe blod, det effektive område, hvorfra molekyler kan detekteres over den potentiometriske sensorsonde er ca. 1 nm, som er tyndere end det molekyle, der skal detekteres og analyseres; derfor, det er svært at registrere det elektriske signal, selvom molekylet kommer i kontakt med sansemaskinen. For at overvinde denne forhindring, forskere har prøvet strategier, herunder fortynding af analytopløsningen op til 100, 000 gange for at forbedre molekylær detektion; imidlertid, disse strategier har ikke været vellykkede.

Derfor, forskergruppen foreslog brug af modelmembranen til at overvinde denne forhindring. Menneskets cellulære membran styrer ikke kun ionkoncentrationen i det indre og ydre miljø, men forhindrer også en høj koncentration af ioner i at komme ind i cellen. Holdet fokuserede således på denne specifikke egenskab ved det cellulære membran-efterlignende system. Efter gentagne tests for påføring af cellemembranen på overfladen af ​​den FET-baserede molekylære detektionschip, det blev bekræftet, at detektering af molekyler er tilgængelig uden yderligere forbehandling, selv i en højkoncentreret ionisk opløsning.

Med denne nye teknologi, kendt som "membranbelagt-FET (lipid-FET), "molekyler suspenderet i meget ionisk koncentreret opløsning på niveau med humant blod kan påvises med højere følsomhed i forhold til den for den eksisterende sensor, og fortynding af opløsningen op til 100, 000-fold er ikke påkrævet. Dette blev bekræftet at være den højeste ydelse blandt alle FET rapporteret hidtil globalt. Forskergruppen forventer, at denne teknologi kan bruges til at diagnosticere forskellige sygdomsrelaterede forhold, såsom demensassocierede proteiner, men det er også en platformteknologi med omfattende anvendelighed som biosensorer på forskellige områder, herunder medicin, sundhedspleje, og miljøet til påvisning af virusinfektioner og mikroplast.

Dr. Yong-Sang Ryu fra KIST beskrev forskningsresultatet som "molekyledetektion via lipid-FET med ionisk kontrast på tværs af membranen kan øjeblikkeligt anvendes på alle de eksisterende potentiometriske sensorplatforme, der bruger et elektrisk felt til at detektere molekyler."

Dr. Chul Ki Kim fra KIST sagde:"Undersøgelser for at anvende teknologien på forskellige forskningsområder, såsom sygdomme, der vides at være forårsaget af muterede proteiner, der er knyttet til cellemembraner som Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, og diabetes, og teknologi til hurtigt og præcist at opdage et ekstremt lille antal smitsomme vira som COVID-19 og influenza udføres parallelt. "

Forskningsresultatet er blevet offentliggjort i det seneste nummer af Naturkommunikation .