Carbon nanorør sensor array detekterer enkelte molekyler for første gang

MIT kemiingeniører har bygget et sensorarray, der for første gang, kan detektere enkelte molekyler af brintoverilte, der udgår fra en enkelt levende celle.

Hydrogenperoxid har længe været kendt for at beskadige celler og deres DNA, men videnskabsmænd har for nylig afsløret beviser, der peger på en mere gavnlig rolle:det ser ud til at fungere som et signalmolekyle i en kritisk cellevej, der stimulerer vækst, blandt andre funktioner.

Når den vej går galt, celler kan blive kræftfremkaldende, så forståelse af hydrogenperoxids rolle kan føre til nye mål for potentielle kræftlægemidler, siger Michael Strano, leder af forskergruppen. Strano og hans kolleger beskriver deres nye sensorarray, som er lavet af kulstof nanorør, i onlineudgaven af ​​7. marts af Natur nanoteknologi .

Stranos team brugte arrayet til at studere strømmen af ​​hydrogenperoxid, der opstår, når en fælles vækstfaktor kaldet EGF aktiverer sit mål, en receptor kendt som EGFR, placeret på celleoverflader. For første gang, holdet viste, at niveauet af hydrogenperoxid mere end fordobles, når EGFR aktiveres.

EGF og andre vækstfaktorer inducerer celler til at vokse eller dele sig gennem en kompleks kaskade af reaktioner inde i cellen. Det er stadig uklart, præcis hvordan hydrogenperoxid påvirker denne proces, men Strano spekulerer i, at det på en eller anden måde kan forstærke EGFR-signalet, forstærke beskeden til cellen. Fordi hydrogenperoxid er et lille molekyle, der ikke diffunderer langt (ca. 200 nanometer), signalet ville være begrænset til den celle, hvor det blev produceret.

Holdet fandt også, at i hudkræftceller, menes at have overaktiv EGFR-aktivitet, hydrogenperoxidfluxen var 10 gange større end i normale celler. På grund af den dramatiske forskel, Strano mener, at denne teknologi kan være nyttig til at bygge diagnostiske enheder til nogle typer kræft.

"Du kunne forestille dig en lille håndholdt enhed, for eksempel, som din læge kunne pege på noget væv på en minimalt invasiv måde og fortælle, om denne vej er beskadiget, " han siger.

Strano påpeger, at det er første gang, en række sensorer med enkeltmolekylespecificitet nogensinde er blevet demonstreret. Han og hans kolleger udledte matematisk, at et sådant array kan skelne "nærfelt" molekylær generering fra den, der finder sted langt fra sensoroverfladen. "Arrays af denne type har evnen til at skelne, for eksempel, hvis enkelte molekyler kommer fra et enzym placeret på celleoverfladen, eller fra dybt inde i cellen, " siger Strano.

Sensoren består af en film af kulstof nanorør indlejret i kollagen. Celler kan vokse på kollagenoverfladen, og kollagenet tiltrækker og fanger også hydrogenperoxid frigivet af cellen. Når nanorørene kommer i kontakt med det indespærrede hydrogenperoxid, deres fluorescens flimrer. Ved at tælle flimmerne, man kan få en nøjagtig optælling af de indfaldende molekyler.

Forskere i Stranos laboratorium planlægger at studere forskellige former for EGF-receptoren for bedre at karakterisere hydrogenperoxidfluxen og dens rolle i cellesignalering. De har allerede opdaget, at iltmolekyler forbruges for at generere peroxidet.

Stranos team arbejder også på kulstof nanorør-sensorer til andre molekyler. Holdet har allerede med succes testet sensorer for nitrogenoxid og ATP (molekylet, der bærer energi i en celle). "Listen over biomolekyler, som vi nu kan detektere meget specifikt og selektivt, vokser hurtigt, " siger Strano, som også påpeger, at evnen til at detektere og tælle enkelte molekyler adskiller kulstofnanorør fra mange andre nanosensorplatforme.