I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno sviluppato un nuovo sensore biologico che potrebbe aiutare i medici a diagnosticare meglio il cancro e l'epilessia.

I sensori biologici monitorano piccole molecole, ioni e protoni e sono vitali come diagnostica medica. Anche i segnali più semplici, come il livello di pH intracellulare, può fornire informazioni importanti per la comunità medica.

Per esempio, l'acidificazione dei tumori a causa dell'elevato assorbimento di glucosio e del rilascio di acido lattico è un biomarcatore delle cellule tumorali. Allo stesso modo, l'acidificazione del liquido extracellulare è uno dei processi chiave durante le crisi epilettiche.

Ma i biosensori artificiali hanno limitazioni come la biocompatibilità e il fouling (l'accumulo di materiali indesiderati che impediscono o interferiscono con la funzione della molecola). I sistemi biologici sono abili nel proteggere e separare i componenti vitali del macchinario biologico con membrane semipermeabili che spesso contengono pori e porte definiti per limitare il trasporto transmembrana solo a specie specifiche.

Imparare dalla biologia, il team LLNL, guidato da Aleksandr Noy, ha creato un sensore di pH integrando sensori a transistor a nanonastro di silicio con un rivestimento antivegetativo a doppio strato lipidico che contiene canali porin di nanotubi di carbonio (CNTP) permeabili al protone e ha dimostrato un rilevamento del pH robusto utilizzando quei sensori in una varietà di fluidi biologici complessi.

"Il nostro dispositivo è una piattaforma versatile per il tempo reale, senza etichetta, rilevamento altamente sensibile di biomarcatori di malattie, Mancata corrispondenza del DNA e virus, " ha detto Xi Chen, uno studente laureato UC Merced, un UC-National Lab In-residence borsista presso Lawrence Livermore e un primo autore in un articolo di copertina sulla rivista Nano lettere . Ha detto che il biosensore alla fine potrebbe anche essere impiantabile.

Per creare il sensore di pH, la membrana lipidica deve incorporare un canale robusto che sia altamente permeabile (e, idealmente, altamente specifico) ai protoni. Il team di Noy ha precedentemente dimostrato che i CNTP stretti da 0,8 nanometri (circa 10 nanometri di segmenti di nanotubi di carbonio che si inseriscono spontaneamente in una membrana lipidica e formano canali transmembrana) hanno una permeabilità protonica estremamente elevata che è un ordine di grandezza superiore alla permeabilità protonica dell'acqua sfusa. Il confinamento estremo dell'acqua nei pori dei nanotubi di 0,8 nm di diametro è responsabile della creazione di condizioni che favoriscono il trasporto rapido di protoni. Le piccole dimensioni dei pori e l'elevata permeabilità ai protoni assicurano inoltre che i CNTP possano bloccare efficacemente la maggior parte dei componenti di incrostazione delle miscele biologiche e impedire loro di raggiungere la superficie del sensore.

"Per ciascuno di questi esperimenti, abbiamo caratterizzato la capacità del nostro sensore di rispondere alle variazioni dei valori di pH della soluzione prima e dopo l'esposizione continua alle diverse miscele foulant, " Noy ha detto. "Quando il doppio strato lipidico ha incorporato i canali CNTP, la risposta del pH è stata preservata e ha mostrato pochissimi segni di degradazione."

Nel futuro, il team potrebbe progettare i CNTP per trasmettere ioni specifici e piccole molecole bloccando altre biomolecole. Ciò potrebbe trasformare il dispositivo in una versatile tecnologia di rilevamento di tipo piattaforma che potrebbe essere utilizzata in applicazioni che vanno dalla diagnosi di malattie, screening genetico e scoperta di farmaci.