Interdisciplinarni istraživački tim iz Bohuma, Duizburga i Ciriha razvio je novi pristup za izgradnju modularnih optičkih senzora koji su sposobni da detektuju viruse i bakterije. Istraživači su koristili fluorescentne ugljenične nanocevi sa novim tipom DNK sidara koji deluju kao molekularne ručke.
Sidrene strukture se mogu koristiti za konjugaciju bioloških jedinica za prepoznavanje kao što su aptameri antitela na nanocevi. Jedinica za prepoznavanje može naknadno da stupi u interakciju sa bakterijskim ili virusnim molekulima do nanocevi. Ove interakcije utiču na fluorescenciju nanocevi i povećavaju ili smanjuju njihovu svetlost.
Tim koji čine profesor Sebastijan Krus, Justus Meternih i četiri saradnika sa Univerziteta Rur u Bohumu (Nemačka), Fraunhofer instituta za mikroelektronska kola i sisteme i ETH Cirih izvestili su o svojim nalazima u Journal of the American Chemical Societi, objavljenom na mreži 27. juna 2023.
Tim je koristio cevaste nanosenzore koji su napravljeni od ugljenika i imali su prečnik manji od jednog nanometra. Kada su ozračene vidljivom svetlošću, ugljenične nanocevi emituju svetlost u bliskom infracrvenom opsegu. Blisko infracrveno svetlo nije vidljivo ljudskom oku. Međutim, savršen je za optičke aplikacije, jer je nivo drugih signala u ovom opsegu veoma smanjen.
U ranijim studijama, tim Sebastijana Krusa je već pokazao kako se fluorescencijom nanocevi može manipulisati kako bi se otkrili vitalni biomolekuli. Sada su istraživači tražili način da prilagode senzore ugljenika za upotrebu sa različitim ciljnim molekulima na jednostavan način.
Ključ uspeha bile su strukture DNK sa takozvanim gvanin kvantnim defektima. Ovo je uključivalo povezivanje baza DNK sa nanocevicom kako bi se stvorio defekt u kristalnoj strukturi nanocevi. Kao rezultat toga, fluorescencija nanocevi se promenila na kvantnom nivou. Pored toga, defekt je delovao kao molekularna ručka koja je omogućila uvođenje jedinice za detekciju, koja se može prilagoditi odgovarajućem ciljnom molekulu u svrhu identifikacije specifičnog virusnog ili bakterijskog proteina.
„Pomoću pričvršćivanja jedinice za detekciju na DNK sidra, sklop takvog senzora liči na sistem građevnih blokova – osim što su pojedinačni delovi 100.000 puta manji od ljudske kose“, kaže Sebastijan Krus.
Grupa je predstavila novi koncept senzora koristeći SARS CoV-2 šiljasti protein kao primer. U tu svrhu, istraživači su koristili aptamere, koji se vezuju za SARS CoV-2 šiljasti protein. „Aptameri su presavijeni DNK ili RNK lanci. Zbog svoje strukture, oni se mogu selektivno vezati za proteine“, objašnjava Justus Meternih. „U sledećem koraku, mogao bi se preneti koncept na antitela ili druge jedinice za detekciju.
Fluorescentni senzori su pokazali prisustvo SARS-CoV-2 proteina sa visokim stepenom pouzdanosti. Selektivnost senzora sa kvantnim defektima gvanina bila je veća od selektivnosti senzora bez takvih defekata. Štaviše, senzori sa kvantnim defektima gvanina bili su stabilniji u rastvoru.
„Ovo je prednost ako razmišljate o merenjima izvan jednostavnih vodenih rastvora. Za dijagnostičke primene, moramo da merimo u složenim okruženjima, na primer, sa ćelijama, u krvi ili u samom organizmu“, kaže Sebastijan Krus, koji je na čelu Grupe za funkcionalne interfejse i biosisteme na Univerzitetu Rur u Bohumu i član je Ruhr univerziteta u Bohumu i član Ruhrske škole NeuroSC Ekcelle-a (Gradska istražuje Međunarodnu školu Solvacije).
