Per la prima volta, Gli ingegneri del MIT hanno progettato sensori in grado di rilevare singole molecole proteiche mentre vengono secrete dalle cellule o anche da una singola cellula.

Questi sensori, costituiti da nanotubi di carbonio modificati chimicamente, potrebbe aiutare gli scienziati con qualsiasi applicazione che richieda il rilevamento di quantità molto piccole di proteine, come il monitoraggio dell'infezione virale, monitorare la produzione di proteine ​​utili da parte delle cellule, o rivelare la contaminazione degli alimenti, dicono i ricercatori.

"Speriamo di utilizzare array di sensori come questo per cercare l'ago in un pagliaio, '", dice Michael Strano, il Carbon P. Dubbs Professore di Ingegneria Chimica al MIT. "Questi array rappresentano le piattaforme di rilevamento molecolare più sensibili che abbiamo a nostra disposizione tecnologicamente. Puoi funzionalizzarli in modo da poter vedere le fluttuazioni stocastiche delle singole molecole che si legano a loro".

Strano è l'autore senior di un 23 gennaio Nanotecnologia della natura documento che descrive i nuovi sensori. L'autore principale del documento è Markita Landry, un ex postdoc del MIT che ora è assistente professore presso l'Università della California a Berkeley.

Altri autori del MIT sono il ricercatore Hiroki Ando, ex studente laureato Allen Chen, postdoc Jicong Cao e Juyao Dong, e professore associato di ingegneria elettrica e informatica Timothy Lu. Sono autori anche Vishal Kottadiel dell'Università di Harvard e Linda Chio e Darwin Yang dell'Università della California a Berkeley.

Nessun limite di rilevamento

Il laboratorio di Strano ha precedentemente sviluppato sensori in grado di rilevare molti tipi di molecole, tutto basato su modifiche di nanotubi di carbonio:cavi, cilindri di spessore nanometrico realizzati in carbonio che emettono naturalmente fluorescenza quando esposti alla luce laser. Per trasformare i nanotubi in sensori, Il laboratorio di Strano li ricopre di DNA, proteine, o altre molecole che possono legarsi a un bersaglio specifico. Quando il bersaglio è vincolato, la fluorescenza dei nanotubi cambia in modo misurabile.

In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato catene di DNA chiamate aptameri per rivestire i nanotubi di carbonio. I precedenti tentativi di utilizzare gli aptameri del DNA sono stati ostacolati a causa della difficoltà di far aderire l'aptamero al nanotubo mantenendo la configurazione di cui ha bisogno per legarsi al suo bersaglio.

Landry ha superato questa sfida aggiungendo una sequenza "distanziatrice" tra la sezione dell'aptamero che si attacca al nanotubo e la sezione che si lega al bersaglio, concedendo a ciascuna regione la libertà di svolgere la propria funzione. I ricercatori hanno dimostrato con successo sensori per una proteina di segnalazione chiamata RAP1 e una proteina virale chiamata integrasi dell'HIV1, e credono che l'approccio dovrebbe funzionare per molte altre proteine.

Per monitorare la produzione di proteine ​​di singole cellule, i ricercatori hanno installato una serie di sensori su un vetrino da microscopio. Quando un singolo batterio, umano, o la cellula di lievito è posizionata sull'array, i sensori possono rilevare ogni volta che la cellula secerne una molecola della proteina bersaglio.

"Gli array di nanosensori come questo non hanno limiti di rilevamento, "Dice Strano. "Possono vedere fino alle singole molecole."

Però, c'è un compromesso:meno molecole ci sono, più tempo ci vuole per percepirli. Man mano che la molecola diventa più scarsa, il rilevamento può richiedere un tempo infinito, Strano dice.

"Il nuovo studio di Strano e collaboratori propone un nuovo entusiasmante approccio per rilevare le proteine ​​fino al livello della singola molecola, "dice Robert Hurt, un professore di ingegneria alla Brown University che non era coinvolto nella ricerca. "Il lavoro spinge all'avanguardia nel rilevamento di singole proteine ​​e può consentire ai ricercatori di vedere importanti, eventi molecolari in tempo reale a livello di singola cellula, come il rilascio di proteine ​​durante la divisione cellulare".

Strumenti utili

Gli array di sensori potrebbero essere utili per molte applicazioni diverse, dicono i ricercatori.

"Questa piattaforma aprirà un nuovo percorso per rilevare tracce di proteine ​​secrete dai microrganismi, " Dong dice. "Farà avanzare la ricerca biologica [sulla] generazione di molecole segnale, così come gli [sforzi per monitorare] la salute dei microrganismi e la qualità del prodotto dell'industria biofarmaceutica".

In campo farmaceutico, questi sensori potrebbero essere utilizzati per testare cellule progettate per aiutare a curare le malattie. Molti ricercatori stanno ora lavorando a un approccio in cui i medici rimuoverebbero le cellule di un paziente, ingegnerizzarli per esprimere una proteina terapeutica, e rimetterli nel paziente.

"Pensiamo che questi array di nanosensori saranno strumenti utili per misurare queste preziose cellule e assicurarci che funzionino nel modo desiderato, "dice Strano.

Dice che i ricercatori potrebbero anche usare gli array per studiare l'infezione virale, funzione del neurotrasmettitore, e un fenomeno chiamato quorum sensing, che consente ai batteri di comunicare tra loro per coordinare la loro espressione genica.