Kopiering af naturens låse-og-nøgle-system kan forbedre hurtig medicinsk diagnostik

Forskere har designet et system, der hurtigt genkender de specifikke biologiske molekyler, der kan indikere sygdom.

Holdet fra Imperial College London har udviklet en sensor i nanoskala, der selektivt kan detektere proteinmolekyler på enkeltmolekyleniveau, som kunne hjælpe i tidlig klinisk diagnose.

Når man analyserer kropsvæskeprøver for signaler på en sygdom, forskere leder ofte efter meget sjældne molekyler i en kompleks blanding. For at finde sådanne 'nåle i en høstak', forskere bruger ofte metoder, der detekterer enkelte molekyler ad gangen.

En lovende teknologi er nanopore sensing, hvor individuelle molekyler ledes gennem et meget lille hul i nanometerstørrelse. Denne proces resulterer i, at hvert molekyle producerer sin egen unikke signatur, uden behov for langvarig prøveforberedelse eller kemisk modifikation.

Imidlertid, forskellige molekyler af samme størrelse kan producere meget ens signaler, gør det svært at identificere målmolekylet entydigt.

For at løse dette problem, et team ledet af Imperial College London har udviklet et system baseret på en nanopore og en nanoskala transistor, som kan genkende målmolekyler på samme måde som biologiske receptorer. Detaljerne om deres nye system offentliggøres i dag i Naturkommunikation .

Lås og nøgle

Receptorer genkender molekyler med særlige former og binder sig til dem i en låsemekanisme. I dette studie, nanotransistoren var lavet af et polymermateriale, der kunne præges med et bindingssted – 'låsen'. Dette gør det muligt for systemet at detektere den eneste matchende 'nøgle' ​​– et specifikt målmolekyle.

For at teste, at systemet fungerer som forventet, holdet brugte det til at opdage antistoffet, der binder til insulin, en mekanisme vigtig i diagnosticering af diabetes. Imidlertid, holdet siger, at systemdesignet også let kan anvendes i detektionen til et meget bredere udvalg af biologiske molekyler.

Medforfatter til undersøgelsen Professor Joshua Edel, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde:"Vi har vist, at vi kan præge en polymer ved indgangen til nanoporen med formen af ​​den naturlige 'lås' til det 'nøgle'-molekyle, vi leder efter, efterligner biologiske receptorer. "

Åbning og lukning af porten

Forskerne tilføjede også en anden funktion til det nye system for at løse et andet problem inden for nanopore-sansning:hvis molekyler passerer for hurtigt gennem nanoporen, de bliver muligvis ikke opdaget.

De tilføjede en elektrode fastgjort til polymerbelægningen af ​​poren, danner en nanoskala transistor, som en spænding kan påføres. Dette får poren til at fungere som en port - den påførte spænding kan "åbne" eller "lukke" porten, at kontrollere transporten af ​​molekyler gennem poren.

Dr Aleksandar Ivanov, fra Institut for Kemi på Imperial, sagde:"Vi har nu en virkelig tunerbar biosensor. Ved at tilføje ny kompleksitet til systemet kan vi kontrollere transporten af ​​molekyler og kan have længere tid til at studere et specifikt molekyle."

Professor Yuri Korchev, fra Institut for Medicin på Imperial, tilføjet:"Det komplette system kombinerer koncentration, justerbar hastighed og selektivitet, som vil være klinisk relevant i søgen efter sjældne proteiner såsom specifikke slags antistoffer og DNA -molekyler. "