Hologrammer for molekyler

Meget kan påvises i blod eller urin:virussygdomme, stofskifteforstyrrelser eller autoimmune sygdomme kan diagnosticeres med laboratorietests, for eksempel. Men sådanne undersøgelser tager ofte et par timer og er ret komplekse, Derfor afleverer lægerne prøverne til speciallaboratorier.

Forskere ved ETH Zürich og virksomheden Roche har i fællesskab udviklet en helt ny analysemetode baseret på lysdiffraktion på molekyler på en lille chip. Teknikken har potentialet til at revolutionere diagnostikken:i fremtiden, læger kan nemt og hurtigt udføre komplekse undersøgelser i deres egen praksis.

Direkte synlig med laserlys

Som med andre etablerede diagnostiske procedurer, den nye metode bruger også nøglelås-princippet om molekylær genkendelse:f.eks. for at bestemme et bestemt protein opløst i blodet ("nøglen"), den skal docke på et passende antistof ("låsen"). I etablerede immunologiske testmetoder, "nøglen i låsen" gøres synlig med en anden farvekodet nøgle, men dette trin er ikke længere nødvendigt i den nye proces - "nøglen i låsen" kan gøres synlig direkte med et laserlys.

Forskerne bruger en chip med en specielt belagt overflade, der består af bittesmå prikker med et specifikt stribet mønster. De pågældende molekyler binder sig til striberne, men ikke til mellemrummene mellem striberne. Hvis et laserlys nu rettes langs chippens overflade, det er bøjet (bøjet) som et resultat af det særlige arrangement af molekylerne i mønsteret og fokuseret på til et punkt under chippen. Et lyspunkt bliver synligt. Da forskerne lagde prøver uden molekylerne på chippen, lyset er ikke bøjet og intet lyspunkt er synligt.

Molekylært samspil

"Lyspunktet er en effekt af samspillet mellem hundredtusindvis af molekyler i deres specifikke arrangement, siger Christof Fattinger, en videnskabsmand hos Roche. "Som med et hologram, laserlysets bølgekarakter bruges målrettet."

Janos Vörös, professor i bioelektronik ved ETH Zürich, sammenligner princippet med et orkester:"Molekylerne er musikerne, stribemønsteret lederen. Det sikrer, at alle musikerne arbejder sammen." Forskerne kalder det stribede mønster "mologram" (molekylært hologram) og den nye diagnostiske teknik for "fokal molografi".

Fattinger opfandt princippet og udviklede dets teoretiske grundlag. Fem år siden, han tog et sabbatår i gruppen ledet af Vörös; den praktiske implementering af molografi er nu opstået fra det samarbejde mellem Roche-forskerne og ETH Zürich.

Andre molekyler forstyrrer ikke

En væsentlig fordel ved den nye metode er, at signalet (lyspunktet) kun kommer på grund af de molekyler, der binder specifikt til mologrammet - andre molekyler, der er til stede i en prøve, producerer ikke et signal. Metoden er derfor væsentlig hurtigere end tidligere analysemetoder baseret på nøglelås-princippet. I sidstnævnte, andre molekyler til stede i en prøve skal vaskes væk, hvilket igen bremser og komplicerer diagnosen. Det gør den nye metode ideel til at måle proteiner i blod eller andre kropsvæsker.

"Vi forventer, at denne teknologi vil gøre det muligt at udføre flere laboratorieundersøgelser direkte på lægekontoret i fremtiden frem for i et speciallaboratorium. Og i en fjern fremtid, patienter kan endda være i stand til at bruge teknologien derhjemme, " siger Vörös.

Stort potentiale

Flere mologrammer er arrangeret på en lille chip. I det nuværende design, 40 mologrammer måler det samme molekyle, men i fremtiden kan det være muligt at måle 40 eller flere forskellige markører samtidigt på en chip.

De mulige anvendelser af denne nye teknik er enorme. Det kan bruges overalt, hvor interaktionen mellem molekyler skal identificeres og undersøges. Metoden er så hurtig, at den endda er velegnet til realtidsmålinger, som er af særlig interesse for biologisk grundforskning:f.eks. at undersøge, hvor hurtigt et biokemisk molekyle binder sig til et andet. Yderligere anvendelser kan omfatte kvalitetskontrol til drikkevandsbehandling eller procesovervågning i den bioteknologiske industri.

Intens fokus på markedsparathed

"At vi fik succes med at føre ideen ud i livet, skyldes i høj grad, at vores projektteam er tværfagligt, " siger Vörös. Blandt deltagerne var eksperter i fotokemi, spånfremstilling og overfladebelægning. Forskerne brugte også specielle belægningspolymerer til mologrammet, som blev udviklet for nylig i laboratoriet af ETH professor Nicholas Spencer (ETH News rapporteret:https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2016/02/swiss-army-knife -molekyle.html). "Uden disse polymerer og uden samarbejdet med Janos Vörös, vi ville stadig være langt fra vores mål, siger Fattinger.

For at videreudvikle metoden, samarbejdet mellem Roche og ETH Zürich vil fortsætte. Mens flere videnskabsmænd og doktorander i Vörös' gruppe arbejder på dens videnskabelige aspekter, partnerne planlægger også at udforske kommercialiseringsmuligheder for forskellige applikationer.