Sintetički biosenzor koji oponaša svojstva koja se nalaze u ćelijskim membranama i obezbeđuje elektronsko očitavanje aktivnosti mogao bi da dovede do boljeg razumevanja ćelijske biologije, razvoja novih lekova i stvaranja čulnih organa na čipu koji je u stanju da detektuje hemikalije, slično kao u nosu. a jezici rade.
Studija „Sinteza bez ćelija postaje električna: dvostruki optički i elektronski biosenzor preko direktne integracije kanala u podržanu membransku elektrodu“, objavljena je 18. januara u časopisu ACS Sinthetic Biologi.
Podvig bioinženjeringa opisan u radu koristi sintetičku biologiju za ponovno stvaranje ćelijske membrane i njenih ugrađenih proteina, koji su čuvari ćelijskih funkcija. Provodna platforma za detekciju omogućava elektronsko očitavanje kada se protein aktivira. Mogućnost testiranja da li i kako molekul reaguje sa proteinima u ćelijskoj membrani može da stvori mnogo primena.
Ali ugrađivanje membranskih proteina u senzore bilo je notorno teško sve dok autori studije nisu kombinovali bioelektronske senzore sa novim pristupom za sintezu proteina.
„Ova tehnologija nam zaista omogućava da proučavamo ove proteine na načine koji bi bili neverovatno izazovni, ako ne i nemogući, sa trenutnom tehnologijom“, rekao je prvi autor Zachari Manzer, doktorant u laboratoriji starijeg autora Suzan Daniel, Fred H. Rhodes Profesor i direktor Škole za hemijsko i biomolekularno inženjerstvo Robert Frederick Smith u Cornell Engineering.
Proteini unutar ćelijskih membrana služe mnogim važnim funkcijama, uključujući komunikaciju sa okolinom, katalizujući hemijske reakcije i kretanje jedinjenja i jona kroz membrane. Kada se aktivira receptor membranskog proteina, naelektrisani joni se kreću kroz membranski kanal, pokrećući funkciju u ćeliji. Na primer, moždani neuroni ili mišićne ćelije pucaju kada signali iz nerava signaliziraju da se napunjeni kalcijum-jonski kanali otvore.
Istraživači su kreirali biosenzor koji počinje sa provodljivim polimerom, koji je mekan i lak za rad, na vrhu nosača koji zajedno deluju kao električno kolo koje nadgleda računar. Sloj molekula lipida (masti), koji formira membranu, leži na vrhu polimera, a proteini od interesa su smešteni unutar lipida.
U ovom dokazu koncepta, istraživači su kreirali platformu bez ćelija koja im je omogućila da sintetišu model proteina direktno u ovu veštačku membranu. Sistem ima ugrađenu tehnologiju dvostrukog očitavanja. Pošto su komponente senzora transparentne, istraživači mogu da koriste optičke tehnike, kao što su inženjerski proteini koji fluoresciraju kada se aktiviraju, što omogućava naučnicima da proučavaju osnove putem mikroskopa i posmatraju šta se dešava sa sam protein tokom ćelijskog procesa. Oni takođe mogu da snimaju elektronsku aktivnost da vide kako protein funkcioniše kroz pametan dizajn kola.
„Ovo je zaista prva demonstracija iskorištavanja sinteze transmembranskih proteina bez ćelija u biosenzore“, rekao je Daniel. „Nema razloga zašto ne bismo mogli da izrazimo mnogo različitih vrsta proteina u ovu opštu platformu.“
Trenutno, istraživači koriste proteine uzgajane i ekstrahovane iz živih ćelija za slične primene, ali s obzirom na ovaj napredak, korisnici neće morati da uzgajaju proteine u ćelijama, a zatim ih sakupljaju i ugrađuju u membransku platformu. Umesto toga, mogu da ih sintetišu direktno iz DNK, osnovnog šablona za proteine.
„Možemo da zaobiđemo ceo proces ćelije kao fabrike koja proizvodi protein“, rekao je Danijel, „i da sami proizvodimo proteine“.
Sa takvim sistemom, hemičar koji je zainteresovan za određeni protein koji je umešan u bolest mogao bi da struji potencijalno terapeutske molekule kroz taj protein da vidi kako on reaguje. Ili bi naučnik koji želi da stvori senzor životne sredine mogao da postavi na platformu određeni protein koji je osetljiv na hemikaliju ili zagađivač, kao što su oni koji se nalaze u vodi jezera.
„Ako pomislite na svoj nos ili svoj jezik, svaki put kada nešto pomirišete ili okusite, jonski kanali se aktiviraju“, rekao je Manzer. Naučnici bi sada mogli da uzmu proteine koji se aktiviraju kada nešto pomirišemo i prevedu rezultate u ovaj elektronski sistem da osete stvari koje se možda ne mogu otkriti hemijskim senzorom.“
Novi senzor otvara vrata farmakolozima da istraže kako da naprave neopioidne lekove protiv bolova ili lekove za lečenje Alchajmerove ili Parkinsonove bolesti, koji stupaju u interakciju sa proteinima ćelijske membrane.
