Биосенсор может привести к созданию новых лекарств и сенсорных органов на чипе
Синтетический биосенсор, имитирующий свойства клеточных мембран и обеспечивающий электронный вывод данных об активности, может привести к лучшему пониманию клеточной биологии, разработке новых лекарств и созданию сенсорных органов на чипе, способных обнаруживать химические вещества подобно тому, как работают нос и язык.
Исследование "Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode" было опубликовано 18 января в журнале ACS Synthetic Biology.
Описанный в работе биоинженерный прорыв использует синтетическую биологию для воссоздания клеточной мембраны и встроенных в неё белков, которые являются привратниками клеточных функций. Проводящая сенсорная платформа позволяет получать электронный сигнал при активации белка. Возможность тестировать, реагирует ли молекула с белками клеточной мембраны и как именно, может породить множество приложений.
Однако встраивание мембранных белков в сенсоры было печально известно своей сложностью, пока авторы исследования не объединили биоэлектронные сенсоры с новым подходом к синтезу белков.
"Эта технология действительно позволяет нам изучать эти белки способами, которые были бы невероятно сложны, если не невозможны, с использованием текущих технологий", — сказал первый автор Закари Манзер, докторант в лаборатории старшего автора Сьюзан Дэниел.
Белки в клеточных мембранах выполняют множество важных функций, включая коммуникацию с окружающей средой, катализ химических реакций и перенос соединений и ионов через мембраны. Когда активируется мембранный белковый рецептор, заряженные ионы перемещаются через мембранный канал, запуская функцию в клетке. Например, нейроны мозга или мышечные клетки возбуждаются, когда сигналы от нервов заставляют заряженные кальциевые каналы открыться.
Исследователи создали биосенсор, который начинается с проводящего полимера (мягкого и удобного в работе) на подложке; вместе они действуют как электрическая цепь, контролируемая компьютером. Слой липидных (жировых) молекул, формирующий мембрану, лежит поверх полимера, а интересующие белки помещаются внутрь липидов.
В этой доказательстве концепции исследователи создали бесклеточную платформу, которая позволила им синтезировать модельный белок непосредственно в эту искусственную мембрану. Система имеет встроенную технологию двойного считывания. Поскольку компоненты сенсора прозрачны, исследователи могут использовать оптические методы (например, инженерные белки, флуоресцирующие при активации), что позволяет изучать основы с помощью микроскопа. Они также могут регистрировать электронную активность, чтобы наблюдать, как функционирует белок, благодаря продуманной конструкции схемы.
"Это действительно первая демонстрация использования бесклеточного синтеза трансмембранных белков в биосенсорах", — сказала Дэниел. — "Нет причин, по которым мы не смогли бы экспрессировать множество различных типов белков в этой общей платформе".
В настоящее время для подобных применений исследователи используют белки, выращенные и извлечённые из живых клеток. Однако с этим достижением пользователям не придётся выращивать белки в клетках, а затем извлекать и встраивать их в мембранную платформу. Вместо этого они могут синтезировать их напрямую из ДНК — основного шаблона для белков.
"Мы можем обойти весь процесс использования клетки как фабрики, производящей белок, и сами заняться биопроизводством белков", — сказала Дэниел.
С такой системой фармацевт, интересующийся конкретным белком, связанным с заболеванием, мог бы пропускать потенциально терапевтические молекулы через этот белок, чтобы увидеть его реакцию. Или учёный, стремящийся создать экологический сенсор, мог бы поместить на платформу определённый белок, чувствительный к химическому веществу или загрязнителю (например, в воде озера).
"Если подумать о вашем носе или языке, каждый раз, когда вы что-то чувствуете или пробуете на вкус, срабатывают ионные каналы", — сказал Манзер. — "Теперь учёные могут взять белки, активируемые при ощущении запаха, и перевести результаты в эту электронную систему для обнаружения вещей, которые могут быть невидимы для химического сенсора".
Новый сенсор открывает двери для фармакологов, исследующих способы создания неопиоидных обезболивающих или лекарств для лечения болезней Альцгеймера или Паркинсона, которые взаимодействуют с белками клеточных мембран.