En cyborg -sensor, der kunne låse op for anæstesihemmeligheder

(Phys.org) - Næsten hver biologisk proces indebærer at mærke tilstedeværelsen af ​​et bestemt kemikalie. Finjusteret over millioner af års evolution, kroppens forskellige receptorer er formet til at acceptere visse målkemikalier. Når de binder, receptorerne fortæller deres værtsceller at producere nerveimpulser, regulere stofskiftet, forsvare kroppen mod angribere, eller utallige andre handlinger afhængigt af cellen, receptor, og kemisk type.

Nu, Penn -forskere skabte en kunstig kemisk sensor baseret på en af ​​menneskekroppens vigtigste receptorer - en, der er kritisk i virkningen af ​​smertestillende og bedøvelsesmidler. I disse enheder, receptorernes aktivering frembringer en elektrisk reaktion frem for en biokemisk reaktion, gør det muligt at læse dette svar af en computer.

Ved at vedhæfte en modificeret version af denne mu-opioidreceptor til strimler af grafen, forskere har vist en måde at masseproducere enheder, der kan være nyttige i lægemiddeludvikling og en række diagnostiske tests.

Deres undersøgelse kombinerer de seneste fremskridt fra flere discipliner og laboratorier rundt på campus, herunder A.T. Charlie Johnson, direktør for Penn's Nano/Bio Interface Center og professor i fysik i Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, adjunkt i anæstesiologi ved Perelman School of Medicine, og Jeffery Saven, professor i kemi i Penn Arts &Sciences.

Savens og Lius grupper har brugt beregningsteknikker til at redesigne mu-opioidreceptoren for at gøre det lettere at bruge i forskning. I sin naturlige tilstand, receptoren ikke er vandopløselig, gør mange almindelige eksperimentelle teknikker umulige. Værre, proteiner som denne receptor vil normalt blive dyrket i massevis ved hjælp af gensplejsede bakterier, men dele af den naturlige mu-opioidreceptor er toksiske for E. coli anvendt i denne metode.

Efter at Saven og Liu behandlede disse problemer med den redesignede receptor, de så, at det kunne være nyttigt for Johnson, som tidligere havde offentliggjort en undersøgelse om vedhæftning af et lignende receptorprotein til kulnanorør. I det tilfælde, proteinet var svært at dyrke genetisk, og nødvendige for at inkludere yderligere biologiske strukturer fra receptorernes naturlige membraner for at forblive stabile.

Saven og Lius beregningsmæssigt redesignede protein, imidlertid, kunne let dyrkes og fastgøres direkte til grafen, åbner muligheden for masseproducerende biosensoranordninger, der udnytter disse receptorer.

"Det er den slags projekter, som Penn -campus muliggør, "Saven siger." Selv med Medical School på den anden side af gaden og fysikafdelingen i nærheden, Jeg tror ikke, vi ville være så tætte samarbejdspartnere, uden at Nano/Bio Interface Center understøtter os. "

Med Saven og Liu leverer en version af receptoren, der stabilt kunne binde til grafenark, Johnsons team raffinerede fremstillingsprocessen. Startende med et ark grafen omkring 6 tommer bredt og 12 tommer langt, forskerne adskilte dem i bånd en tomme lang og omkring 50 mikron på tværs. Derefter, de placerede båndene oven på præfabrikerede kredsløb.

Når det er fastgjort til båndene, opioidreceptorerne er i stand til at producere ændringer i den omgivende grafens elektriske egenskaber, når de binder sig til deres mål. Disse ændringer producerer elektriske signaler, der overføres til en computer via tilstødende elektroder, hvert sæt repræsenterer en separat enhed.

"Vi kan måle hver enhed individuelt og gennemsnitlige resultaterne, hvilket i høj grad reducerer støj, "Siger Johnson." Eller du kan forestille dig at tilslutte 10 forskellige slags receptorer til 20 enheder hver, alle på samme chip, hvis du ville teste for flere kemikalier på én gang. "

I forskerens eksperiment, de testede deres enheders evne til at detektere koncentrationen af ​​naltrexon, et lægemiddel, der bruges til behandling af alkohol og opioidafhængighed, fordi det binder sig til - og blokerer - for de naturlige opioidreceptorer, der producerer de narkotiske effekter, patienterne søger.

"Det er ikke klart, om receptorerne på enhederne er lige så selektive som i den biologiske kontekst, "Saven siger, "som dem på dine celler, der kan fortælle forskellen mellem en agonist, som morfin, og en antagonist, som naltrexon, som binder sig til receptoren, men ikke gør noget. Ved at arbejde med de receptor-funktionaliserede grafenenheder, imidlertid, ikke kun kan vi lave bedre diagnostiske værktøjer, men vi kan også potentielt få en bedre forståelse af, hvordan det bimolekylære system rent faktisk fungerer i kroppen. "

Liu bemærker, at mange nye opioider er blevet udviklet gennem århundreder, imidlertid, ingen af ​​dem har opnået stærke smertestillende virkninger uden berygtede bivirkninger, herunder ødelæggende afhængighed og respirationsdepression.

"Dette nye værktøj kan potentielt hjælpe udviklingen af ​​nye opioider, der minimerer disse bivirkninger, " han siger.

Uanset hvor disse enheder finder applikationer, de er et vidnesbyrd om den potentielle nytteværdi af det nobelprisvindende materiale, som de er baseret på.

"Graphene giver os en fordel, "Johnson siger, "ved at dens ensartethed giver os mulighed for at lave 192 enheder på en en tommer chip, alt på samme tid. Der er stadig en række ting, vi skal finde ud af, men dette er bestemt en vej til at fremstille disse enheder i store mængder. "