Modificerede kulstof nanorør kunne bruges til at spore proteinproduktion af individuelle celler

For første gang, MIT-ingeniører har designet sensorer, der kan detektere enkelte proteinmolekyler, når de udskilles af celler eller endda en enkelt celle.

Disse sensorer, som består af kemisk modificerede kulstof nanorør, kunne hjælpe videnskabsmænd med enhver applikation, der kræver påvisning af meget små mængder protein, såsom sporing af virusinfektion, overvågning af cellernes fremstilling af nyttige proteiner, eller afsløre fødevareforurening, siger forskerne.

"Vi håber at bruge sensor-arrays som denne til at lede efter 'nålen i en høstak,' '" siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT. "Disse arrays repræsenterer de mest følsomme molekylære sansningsplatforme, som vi har tilgængelige for os teknologisk. Du kan funktionalisere dem, så du kan se de stokastiske fluktuationer af enkelte molekyler, der binder til dem."

Strano er seniorforfatter af en 23. januar Natur nanoteknologi papir, der beskriver de nye sensorer. Avisens hovedforfatter er Markita Landry, en tidligere MIT postdoc, der nu er assisterende professor ved University of California i Berkeley.

Andre MIT-forfattere er forsker Hiroki Ando, tidligere kandidatstuderende Allen Chen, postdocs Jicong Cao og Juyao Dong, og lektor i elektroteknik og datalogi Timothy Lu. Vishal Kottadiel fra Harvard University og Linda Chio og Darwin Yang fra University of California i Berkeley er også forfattere.

Ingen detektionsgrænse

Stranos laboratorium har tidligere udviklet sensorer, der kan detektere mange typer molekyler, alt sammen baseret på modifikationer af kulstofnanorør - hule, nanometertykke cylindre lavet af kulstof, der naturligt fluorescerer, når de udsættes for laserlys. For at omdanne nanorørene til sensorer, Stranos laboratorium beklæder dem med DNA, proteiner, eller andre molekyler, der kan binde til et specifikt mål. Når målet er bundet, nanorørenes fluorescens ændrer sig på en målbar måde.

I dette tilfælde, forskerne brugte DNA-kæder kaldet aptamerer til at belægge kulstofnanorørene. Tidligere bestræbelser på at bruge DNA-aptamerer er blevet forhindret på grund af vanskeligheden ved at få aptameren til at klæbe til nanorøret og samtidig bevare den konfiguration, den har brug for for at binde til sit mål.

Landry overvandt denne udfordring ved at tilføje en "spacer"-sekvens mellem den sektion af aptameren, der hæfter på nanorøret, og den sektion, der binder til målet, giver hver region frihed til at udføre sin egen funktion. Forskerne har med succes demonstreret sensorer for et signalprotein kaldet RAP1 og et viralt protein kaldet HIV1 integrase, og de mener, at tilgangen burde fungere for mange andre proteiner.

For at overvåge proteinproduktion af enkeltceller, forskerne opstillede en række af sensorerne på et objektglas. Når en enkelt bakterie, human, eller gærcelle er placeret på arrayet, sensorerne kan detektere, når cellen udskiller et molekyle af målproteinet.

"Nanosensor-arrays som denne har ingen detektionsgrænse, " siger Strano. "De kan se ned til enkelte molekyler."

Imidlertid, der er en afvejning – jo færre molekyler der er, jo længere tid tager det at fornemme dem. Efterhånden som molekylet bliver mere knapt, detektion kan tage uendelig lang tid, siger Strano.

"Det nye studie af Strano og kolleger foreslår en spændende ny tilgang til at detektere proteiner ned til enkeltmolekyleniveau, " siger Robert Hurt, en professor i ingeniørvidenskab ved Brown University, som ikke var involveret i forskningen. "Arbejdet skubber forrest inden for enkeltproteindetektion og kan give forskere mulighed for at se vigtige, molekylære hændelser i realtid på enkeltcelleniveau, såsom proteinfrigivelse under celledeling."

Nyttige værktøjer

Sensorarrays kan være nyttige til mange forskellige applikationer, siger forskerne.

"Denne platform vil åbne en ny vej til at opdage spormængder af proteiner udskilt af mikroorganismer, "Dong siger. "Det vil fremme biologisk forskning [om] generering af signalmolekyler, såvel som den biofarmaceutiske industris [bestræbelser på at overvåge] mikroorganismers sundhed og produktkvalitet."

På det farmaceutiske område, disse sensorer kan bruges til at teste celler, der er udviklet til at hjælpe med at behandle sygdom. Mange forskere arbejder nu på en tilgang, hvor læger vil fjerne en patients egne celler, konstruere dem til at udtrykke et terapeutisk protein, og placer dem tilbage i patienten.

"Vi tror, ​​at disse nanosensor-arrays vil være nyttige værktøjer til at måle disse dyrebare celler og sikre, at de udfører, som du vil have dem til, " siger Strano.

Han siger, at forskere også kunne bruge arrays til at studere viral infektion, neurotransmitter funktion, og et fænomen kaldet quorum sensing, som gør det muligt for bakterier at kommunikere med hinanden for at koordinere deres genekspression.