Podning af olfaktoriske receptorer på nanorør

(PhysOrg.com) - Penn-forskere har hjulpet med at udvikle en nanoteknologisk enhed, der kombinerer kulstofnanorør med olfaktoriske receptorproteiner, cellekomponenterne i næsen, der registrerer lugte.

Fordi olfaktoriske receptorer tilhører en større klasse af proteiner, der er involveret i at sende signaler gennem cellemembranen, disse enheder kan have anvendelser ud over lugtføling, såsom farmaceutisk forskning.

Forskningen blev ledet af professor A. T. Charlie Johnson, postdoc Brett R. Goldsmith og kandidatstuderende Mitchell T. Lerner fra Institut for Fysik og Astronomi på School of Arts and Sciences, sammen med adjunkt Bohdana M. Discher og postdoc-stipendiat Joseph J. Mitala Jr. fra Institut for Biofysik og Biokemi ved Penns Perelman School of Medicine. De samarbejdede med forskere fra Monell Chemical Senses Center, University of Miami, University of Illinois, Princeton University og to private virksomheder, Nanosense Inc. og Evolved Machines Inc.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Penn-teamet arbejdede med olfaktoriske receptorer afledt af mus, men alle olfaktoriske receptorer er en del af en klasse af proteiner kendt som G-proteinkoblede receptorer, eller GPCR'er. Disse receptorer sidder på den ydre membran af celler, hvor visse kemikalier i miljøet kan binde sig til dem. Bindingsvirkningen er det første trin i en kemisk kaskade, der fører til en cellulær reaktion; i tilfælde af en olfaktorisk receptor, denne kaskade fører til opfattelsen af ​​en lugt.

Penn-teamet lykkedes med at opbygge en grænseflade mellem dette komplicerede protein og en carbon-nanorørtransistor, giver dem mulighed for at omdanne de kemiske signaler, som receptoren normalt producerer, til elektriske signaler, som kunne inkorporeres i et vilkårligt antal værktøjer og gadgets.

“Vores nanoteknologiske enheder er udlæsningselementer; de aflytter hvad olfaktoriske receptorer gør, specifikt hvilke molekyler der er bundet til dem, " sagde Johnson.

Da den særlige GPCR, holdet arbejdede med, var en lugtereceptor, testcasen for deres nanorør-enhed skulle fungere som sensor for luftbårne kemikalier.

"Hvis der er noget i atmosfæren, der ønsker at binde sig til dette molekyle, signalet vi får gennem nanorøret handler om, hvilken brøkdel af tiden der er noget bundet eller ej. Det betyder, at vi kan få en sammenhængende udlæsning, der er indikativ for koncentrationen af ​​molekylet i luften, " sagde Johnson.

Mens man kunne forestille sig at skalere disse nanorør-enheder op til en syntetisk næse - lave en til hver af de omkring 350 olfaktoriske GPCR'er i en menneskelig næse, eller den 1, 000 fundet hos en hund - Johnson mener, at medicinske applikationer er meget tættere på at blive realiseret.

"GPCR'er er almindelige lægemiddelmål, " sagde han. "Da de er kendt for at være meget vigtige i celle-miljø-interaktioner, de er meget vigtige i forhold til sygdomspatologi. I den henseende vi har nu en vej til at afhøre, hvad disse GPCR'er faktisk reagerer på. Du kan forestille dig at bygge en chip med mange af disse enheder, hver med forskellige GPCR'er, og udsætte dem alle på én gang for forskellige lægemidler for at se, hvad der er effektivt til at udløse et svar. ”

Det er vigtigt at finde ud af, hvilke slags lægemidler der binder sig mest effektivt til GPCR'er, fordi patogener ofte også angriber gennem disse receptorer. Jo bedre et harmløst kemikalie binder til en relevant GPCR, jo bedre er det til at blokere sygdommen.

Penn-teamet gjorde også et teknisk fremskridt med at stabilisere GPCR'er til fremtidig forskning.

"Tidligere hvis du tager et protein ud af en celle og putter det på en enhed, det kan vare en dag. Men her, vi indlejrede det i en kunstig cellemembran i nanoskala, som kaldes en nanodisk, " sagde Johnson. "Da vi gjorde det, de varede i to en halv måned, i stedet for en dag."

En forlængelse af levetiden for sådanne enheder kan være gavnlig for to videnskabelige områder med stigende overlapning, som det fremgår af de store, tværfagligt forskerhold involveret i undersøgelsen.

"Det store billede er at integrere nanoteknologi med biologi, ”Sagde Johnson. "Disse komplicerede molekylære maskiner er den primære metode til kommunikation mellem det indre af cellen og det ydre, og nu inkorporerer vi deres funktionalitet med vores nanoteknologiske enheder."