Ingeniører syntetiserer antistoffer med kulstof nanorør

MIT kemiske ingeniører har udviklet en ny måde at generere nanopartikler, der kan genkende specifikke molekyler, åbne op for en ny tilgang til at bygge holdbare sensorer til mange forskellige forbindelser, blandt andre applikationer.

For at skabe disse "syntetiske antistoffer, "Forskerne brugte kulstof nanorør - hule, nanometertykke cylindre lavet af kulstof, der naturligt fluorescerer, når de udsættes for laserlys. I fortiden, forskere har udnyttet dette fænomen til at skabe sensorer ved at belægge nanorørene med molekyler, såsom naturlige antistoffer, der binder til et bestemt mål. Når målet er stødt på, kulstofnanorørets fluorescens lysner eller dæmpes.

MIT-holdet fandt ud af, at de kunne skabe nye sensorer ved at belægge nanorørene med specifikt designede amfifile polymerer - polymerer, der trækkes til både olie og vand, som sæbe. Denne tilgang tilbyder et stort udvalg af genkendelsessteder, der er specifikke for forskellige mål, og kunne bruges til at skabe sensorer til at overvåge sygdomme som kræft, betændelse, eller diabetes i levende systemer.

"Denne nye teknik giver os en hidtil uset evne til at genkende ethvert målmolekyle ved at screene nanorør-polymerkomplekser for at skabe syntetiske analoger til antistoffunktion, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen, som optræder i onlineudgaven af ​​24. november af Natur nanoteknologi .

Hovedforfatterne af papiret er den nylige ph.d.-modtager Jingqing Zhang, postdoc Markita Landry, og tidligere postdocs Paul Barone og Jong-Ho Kim.

Syntetiske antistoffer

De nye polymerbaserede sensorer tilbyder en syntetisk designtilgang til produktion af molekylære genkendelsessteder – hvilket muliggør, blandt andre applikationer, påvisningen af ​​et potentielt uendeligt bibliotek af mål. I øvrigt, denne tilgang kan give et mere holdbart alternativ til at belægge sensorer såsom kulstofnanorør med faktiske antistoffer, som kan nedbrydes inde i levende celler og væv. En anden familie af almindeligt anvendte genkendelsesmolekyler er DNA-aptamerer, som er korte stykker DNA, der interagerer med specifikke mål, afhængig af aptamer-sekvensen. Imidlertid, der er ikke aptamerer, der er specifikke for mange af molekyler, som man måske ønsker at detektere, siger Strano.

I det nye blad, forskerne beskriver molekylære genkendelsessteder, der gør det muligt at skabe sensorer, der er specifikke for riboflavin, østradiol (en form for østrogen), og L-thyroxin (et skjoldbruskkirtelhormon), men de arbejder nu på steder for mange andre typer molekyler, herunder neurotransmittere, kulhydrater, og proteiner.

Deres tilgang drager fordel af et fænomen, der opstår, når visse typer polymerer binder sig til et kulstof nanorør. Disse polymerer, kendt som amfifil, har både hydrofobe og hydrofile områder. Disse polymerer er designet og syntetiseret således, at når polymererne udsættes for kulstofnanorør, de hydrofobe områder låser sig fast på rørene som ankre, og de hydrofile områder danner en række løkker, der strækker sig væk fra rørene.

Disse løkker danner et nyt lag, der omgiver nanorøret, kendt som en corona. MIT-forskerne fandt ud af, at løkkerne i koronaen er arrangeret meget præcist langs røret, og afstanden mellem ankrene bestemmer, hvilket målmolekyle der vil være i stand til at kile sig ind i løkkerne og ændre kulstofnanorørets fluorescens.

Molekylær interaktion

Hvad er unikt ved denne tilgang, siger forskerne, er, at den molekylære genkendelse ikke kunne forudsiges ved at se på strukturen af ​​målmolekylet og polymeren, før den hæfter sig til nanorøret.

"Ideen er, at en kemiker ikke kunne se på polymeren og forstå, hvorfor dette ville genkende målet, fordi polymeren i sig selv ikke selektivt kan genkende disse molekyler. Det skal adsorbere på nanorøret og derefter, ved at få visse dele af polymeren eksponeret, det danner et bindingssted, " siger Strano.

Laurent Cognet, seniorforsker ved Institut for Optik ved Universitetet i Bordeaux, siger, at denne tilgang skulle vise sig nyttig til mange anvendelser, der kræver pålidelig påvisning af specifikke molekyler.

"Dette nye koncept, er baseret på den molekylære genkendelse fra selve den adsorberede fase, kræver ikke brug af antistoffer eller ækvivalente molekyler for at opnå specifikke molekylegenkendelser og giver således en lovende alternativ vej til "on demand" molekylær sensing, " siger Cognet, som ikke var en del af forskerholdet.

Forskerne brugte en automatiseret, robot-assisteret forsøg og fejl procedure til at teste omkring 30 polymer-coatede nanorør mod tre dusin mulige mål, giver tre hits. De arbejder nu på en måde at forudsige sådanne polymer-nanorør-interaktioner baseret på strukturen af ​​koronalagene, ved hjælp af data genereret fra en ny type mikroskop, som Landry byggede for at afbilde interaktionerne mellem kulstofnanorørets koronaer og deres mål.

"Hvad der sker med polymeren og coronafasen har været lidt af et mysterium, så dette er et skridt fremad i at få flere data til at løse problemet med, hvordan man designer et mål for et specifikt molekyle, " siger Landry.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.