(Phys.org) —Quasi ogni processo biologico implica il rilevamento della presenza di una certa sostanza chimica. Finemente sintonizzato su milioni di anni di evoluzione, i diversi recettori del corpo sono modellati per accettare determinate sostanze chimiche bersaglio. Quando si legano, i recettori dicono alle loro cellule ospiti di produrre impulsi nervosi, regolare il metabolismo, difendere il corpo dagli invasori, o una miriade di altre azioni a seconda della cellula, recettore, e di tipo chimico.

Ora, I ricercatori della Penn hanno creato un sensore chimico artificiale basato su uno dei recettori più importanti del corpo umano, uno che è fondamentale nell'azione di antidolorifici e anestetici. In questi dispositivi, l'attivazione dei recettori produce una risposta elettrica piuttosto che biochimica, consentire la lettura di tale risposta da parte di un computer.

Attaccando una versione modificata di questo recettore mu-oppioide a strisce di grafene, i ricercatori hanno mostrato un modo per produrre in serie dispositivi che potrebbero essere utili nello sviluppo di farmaci e in una varietà di test diagnostici.

Il loro studio combina i recenti progressi di diverse discipline e laboratori intorno al campus, compresi quelli di A.T. Charlie Johnson, direttore del Nano/Bio Interface Center di Penn e professore di fisica alla Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, assistente professore di anestesiologia presso la Perelman School of Medicine, e Jeffrey Saven, professore di chimica in Penn Arts &Sciences.

I gruppi di Saven e Liu hanno utilizzato tecniche computazionali per ridisegnare il recettore mu-oppioide per renderlo più facile da usare nella ricerca. Nel suo stato naturale, il recettore non è solubile in acqua, rendendo impossibili molte tecniche sperimentali comuni. Peggio, proteine ​​come questo recettore verrebbero normalmente coltivate in massa utilizzando batteri geneticamente modificati, ma parti del recettore mu naturale degli oppioidi sono tossiche per l'E. coli utilizzato in questo metodo.

Dopo che Saven e Liu hanno affrontato questi problemi con il recettore ridisegnato, videro che poteva essere utile a Johnson, che aveva precedentemente pubblicato uno studio sull'attaccamento di una proteina recettore simile ai nanotubi di carbonio. In quel caso, la proteina era difficile da coltivare geneticamente, e aveva bisogno di includere strutture biologiche aggiuntive dalle membrane naturali dei recettori per rimanere stabili.

La proteina riprogettata computazionalmente di Saven e Liu, però, potrebbe essere facilmente coltivato e attaccato direttamente al grafene, aprendo la possibilità di produrre in serie dispositivi biosensori che utilizzano questi recettori.

"Questo è il tipo di progetto che il campus di Penn rende possibile, "Dice Saven. "Anche con la Facoltà di Medicina dall'altra parte della strada e il Dipartimento di Fisica nelle vicinanze, Non credo che saremmo così stretti collaboratori senza il Nano/Bio Interface Center che ci supporta".

Con Saven e Liu che forniscono una versione del recettore che potrebbe legarsi stabilmente a fogli di grafene, Il team di Johnson ha perfezionato il processo di produzione. Partendo da un foglio di grafene di circa 6 pollici di larghezza per 12 pollici di lunghezza, i ricercatori li hanno separati in nastri lunghi un pollice e larghi circa 50 micron. Quindi, hanno posizionato i nastri sopra i circuiti prefabbricati.

Una volta attaccati ai nastri, i recettori oppioidi sono in grado di produrre cambiamenti nelle proprietà elettriche del grafene circostante ogni volta che si legano al loro bersaglio. Questi cambiamenti producono segnali elettrici che vengono trasmessi a un computer tramite elettrodi vicini, ogni set che rappresenta un dispositivo separato.

"Possiamo misurare ogni dispositivo individualmente e fare la media dei risultati, che riduce notevolmente il rumore, " dice Johnson. "Oppure potresti immaginare di collegare 10 diversi tipi di recettori a 20 dispositivi ciascuno, tutto sullo stesso chip, se volessi testare più sostanze chimiche contemporaneamente."

Nell'esperimento del ricercatore, hanno testato la capacità dei loro dispositivi di rilevare la concentrazione di naltrexone, un farmaco usato nel trattamento della dipendenza da alcol e oppioidi perché si lega e blocca i recettori naturali degli oppioidi che producono gli effetti narcotici che i pazienti cercano.

"Non è chiaro se i recettori sui dispositivi siano selettivi come lo sono nel contesto biologico, "Salva dice, "come quelli sulle tue cellule che possono dire la differenza tra un agonista, come la morfina, e un antagonista, come il naltrexone, che si lega al recettore ma non fa nulla. Lavorando con i dispositivi di grafene funzionalizzati con recettori, però, non solo possiamo creare strumenti diagnostici migliori, ma possiamo anche potenzialmente avere una migliore comprensione di come funziona effettivamente il sistema bimolecolare nel corpo".

Liu osserva che molti nuovi oppiacei sono stati sviluppati nel corso dei secoli, però, nessuno di loro ha ottenuto potenti effetti analgesici senza noti effetti collaterali, tra cui dipendenza devastante e depressione respiratoria.

"Questo nuovo strumento potrebbe potenzialmente aiutare lo sviluppo di nuovi oppioidi che riducono al minimo questi effetti collaterali, " lui dice.

Ovunque questi dispositivi trovino applicazioni, sono una testimonianza della potenziale utilità del materiale vincitore del premio Nobel su cui si basano.

"Il grafene ci dà un vantaggio, "Johnson dice, "in quanto la sua uniformità ci consente di realizzare 192 dispositivi su un chip da un pollice, tutto allo stesso tempo. Ci sono ancora una serie di cose che dobbiamo risolvere, ma questo è sicuramente un percorso per realizzare questi dispositivi in ​​grandi quantità."