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Jul 27, 2023

Dieser Sensor ahmt die natürliche Zellmembranfunktion nach

8. August 2023 Von Sean Whooley Ein von MIT-Forschern geleitetes Team hat einen Sensor entwickelt, der bei der Suche nach schwer zu diagnostizierenden Krebsarten oder metastasierenden Tumoren helfen könnte. [Bild mit freundlicher Genehmigung der Forscher/MIT] Der

8. August 2023 Von Sean Whooley

Ein von MIT-Forschern geleitetes Team hat einen Sensor entwickelt, der bei der Suche nach schwer zu diagnostizierenden Krebsarten oder metastasierenden Tumoren helfen könnte. [Bild mit freundlicher Genehmigung der Forscher/MIT]

Der Prototyp-Sensor kann ein Immunmolekül namens CXCL 12 erkennen. Sie sagen, dass dies dazu beitragen könnte, ein Routine-Screening-System für schwer zu diagnostizierende Krebsarten oder metastasierende Tumoren zu entwickeln. Laut einer Pressemitteilung des MIT könnte die Technologie auch als hochgradig biomimetische elektronische „Nase“ eingesetzt werden.

„Wir hoffen, ein einfaches Gerät zu entwickeln, mit dem Sie zu Hause Tests mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit durchführen können“, sagte Shuguang Zhang, leitender Forschungswissenschaftler im Media Lab des MIT. „Je früher man Krebs erkennt, desto besser ist die Behandlung. Daher ist die Frühdiagnose von Krebs ein wichtiger Bereich, in den wir einsteigen wollen.“

Das Team ließ sich von der Membran inspirieren, die alle Zellen umgibt. Diese Zellmembranen verfügen über Tausende von Rezeptorproteinen, die Moleküle in der Umgebung erkennen können. Das MIT-Team modifizierte Proteine ​​so, dass sie außerhalb der Membran überleben, indem es sie in einer Schicht kristallisierter Proteine ​​auf Graphentransistoren verankerte. Bei der Erkennung eines Zielmoleküls übermitteln die Transistoren Informationen an einen Computer oder ein Smartphone.

Das Team sagt, dass der Sensor möglicherweise jede Körperflüssigkeit wie Blut, Tränen oder Speichel analysieren könnte. Es könnte auch gleichzeitig nach verschiedenen Zielen suchen.

„Wir identifizieren kritische Rezeptoren aus biologischen Systemen und verankern sie an einer bioelektronischen Schnittstelle, was es uns ermöglicht, all diese biologischen Signale zu sammeln und sie dann in elektrische Ausgänge umzuwandeln, die von maschinellen Lernalgorithmen analysiert und interpretiert werden können“, sagte Rui Qing, ein ehemaliger MIT-Forschungswissenschaftler und derzeitiger außerordentlicher Professor an der Shanghai Jiao Tong University.

Qing und der Doktorand Mantian Xue haben die in Science Advances veröffentlichte Studie zu den Sensoren verfasst. Zhang, Tomás Palacios und Uwe Sleytr waren leitende Autoren.

Das Team sagt, sein Ansatz zielte darauf ab, Sensoren zu bauen, die auf Rezeptorproteinen basieren, die in Zellmembranen vorkommen. Es kann sich jedoch als schwierig erweisen, mit ihnen zu arbeiten, da sie nach dem Entfernen ihre Struktur nur dann beibehalten, wenn sie in einem Reinigungsmittel suspendiert sind.

Zhang, Qing und andere fanden zuvor einen Weg, hydrophobe Proteine ​​in wasserlösliche Proteine ​​umzuwandeln. Sie tauschten hydrophobe Aminosäuren gegen hydrophile in einer Methode namens QTY-Code aus.

„Man hat jahrzehntelang versucht, Rezeptoren für die Sensorik zu nutzen, aber die weitverbreitete Nutzung stellt eine Herausforderung dar, da Rezeptoren Detergenzien benötigen, um stabil zu bleiben. Das Neue an unserem Ansatz ist, dass wir sie wasserlöslich machen und in großen Mengen kostengünstig herstellen können“, sagte Zhang.

Zhang und Sleytr arbeiteten daran, wasserlösliche Versionen von Rezeptorproteinen an eine Oberfläche zu binden. Wenn diese S-Schicht-Proteine ​​kristallisiert sind, bilden sie kohärente monomolekulare Anordnungen auf einer Oberfläche. Sie können auch mit anderen Proteinen wie Antikörpern oder Enzymen fusionieren, wie Sleytr zuvor nachgewiesen hat. Das Team um den leitenden Wissenschaftler Andreas Breitwieser nutzte die Proteine, um eine dichte, immobilisierte Schicht einer wasserlöslichen Version eines Rezeptorproteins namens CXCR4 zu erzeugen. Es bindet an CXCL 12, das bei menschlichen Krankheiten wie Krebs eine Rolle spielt. Es bindet auch an ein HIV-Hüllglycoprotein, das für den Viruseintritt in menschliche Zellen verantwortlich ist.

Das Team nannte seine Sensortechnologie RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

„Wir nutzen diese S-Schicht-Systeme, um all diesen funktionellen Molekülen die Bindung an eine Oberfläche in einer monomolekularen Anordnung zu ermöglichen, und zwar in einer sehr genau definierten Verteilung und Ausrichtung“, sagt Sleytr. „Es ist wie ein Schachbrett, auf dem man verschiedene Figuren sehr präzise anordnen kann.“

MIT-Forscher befestigten ihre S-Schicht mit Transistorarrays auf Graphenbasis an einem Chip. Xue hat den Chip für die Beschichtung mit einer doppelten Proteinschicht angepasst. Wenn ein Zielmolekül an einen Rezeptor bindet, verändert die Ladung des Zielmoleküls die elektrischen Eigenschaften des Graphens.

Dies ermöglicht eine einfache Quantifizierung und Übertragung an einen Computer oder ein Smartphone, das mit dem Chip verbunden ist.

„Wir haben Graphen als Wandlermaterial gewählt, weil es hervorragende elektrische Eigenschaften hat und diese Signale besser übersetzen kann“, sagte Xue. „Es hat das höchste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, da es sich um eine Schicht aus Kohlenstoffatomen handelt, sodass jede durch die Proteinbindungsvorgänge verursachte Veränderung an der Oberfläche direkt auf die gesamte Masse des Materials übertragen wird.“

Das Team sagt, dass sie den Graphen-Transistorchip mit S-Schicht-Rezeptorproteinen mit einer Dichte von 1 Billion Rezeptoren pro Quadratzentimeter und nach oben gerichteter Ausrichtung beschichten können. Dadurch kann der Chip die maximale Empfindlichkeit der Rezeptorproteine ​​ausnutzen. Der Array-Chip integriert mehr als 200 Geräte und bietet eine Redundanz bei der Signalerkennung, um zuverlässige Messungen zu gewährleisten.

Mithilfe des QTY-Codes können die Forscher nach eigenen Angaben natürlich vorkommende Rezeptorproteine ​​modifizieren, die dann eine Reihe von Sensoren in einem einzigen Chip erzeugen können. Diese Sensoren können praktisch jedes von den Zellen erkannte Molekül untersuchen.

„Dieses neue System ist die Kombination verschiedener Forschungsbereiche wie Molekular- und synthetische Biologie, Physik und Elektrotechnik, die im Ansatz des Teams gut integriert sind“, sagte Piero Baglioni, Professor für physikalische Chemie an der Universität Florenz nicht an der Studie beteiligt. „Darüber hinaus glaube ich, dass es sich um einen Durchbruch handelt, der bei der Diagnose vieler Krankheiten von großem Nutzen sein könnte.“