Нано-биосенсор "тетербол" точно определяет уровень глюкозы

Исследователи создали точный биосенсор для определения уровня глюкозы в крови, а в перспективе — и многих других биологических молекул. В основе устройства лежат полые структуры — однослойные углеродные нанотрубки, закреплённые на позолоченных «нанокубах».

Каждый такой сенсор напоминает крошечный кубический «тетербол» (игрушку на верёвочке). Нанотрубка выступает и как «привязь», и как сверхтонкий проводник для передачи электрических сигналов, объяснил профессор Тимоти Фишер.

Эта технология определяет глюкозу точнее, чем любые другие разрабатываемые биосенсоры. Она также может найти применение в медицине для обнаружения других типов биомолекул и в будущих научных исследованиях, отметил профессор Маршалл Портерфилд.

«Это может быть частью катетера для непрерывного мониторинга уровня глюкозы у пациентов с диабетом, — сказал Портерфилд. — А также иметь множество других применений, включая фундаментальные научные исследования для изучения болезней и биологических процессов».

Конструкция «тетербола» хорошо подходит для задач сенсорики, поскольку чувствительная часть системы значительно выступает от остального устройства. Это позволяет ей легче вступать в контакт с целевыми молекулами, не дожидаясь, пока они диффундируют к поверхности.

Результаты исследования опубликованы в январском выпуске журнала ACS Nano Американского химического общества. Работа была проведена в центрах Birck Nanotechnology Center и Bindley Bioscience Center.

Нанотрубки имеют диаметр около 2 нанометров, что примерно в 25 000 раз тоньше человеческого волоса.

Новый биосенсор превосходит другие по двум ключевым параметрам:

• Для генерации сигнала ему требуется как минимум в 5 раз меньше глюкозы.
• Он может работать в более широком диапазоне концентраций глюкозы, что расширяет потенциальные области применения (например, в артериях, тонком кишечнике или мышцах концентрации глюкозы сильно различаются).

Однослойные нанотрубки особенно хорошо подходят для электронных сенсоров, так как электричество проходит через них эффективнее, чем через обычные провода.

Инженеры разработали метод выращивания отдельных углеродных нанотрубок вертикально на кремниевой пластине. Нанотрубки растут из крошечных пор в пористом анодном оксиде алюминия. Затем в поры осаждается палладий, формируя кубические «шапки» на вершине каждой поры. Эти нанокубы из палладия покрываются золотом, биосовместимым материалом.

Для создания сенсора исследователи присоединили к позолоченным нанокубам белок стрептавидин, а к нему — белок биотин. Эта стандартная биохимическая связка (как «крошечные кубики Lego») позволила в итоге заменить биотин на фермент глюкозооксидазу. В присутствии глюкозы и кислорода этот фермент запускает электрохимическую реакцию, генерирующую электрический сигнал.

Та же система может быть использована в биосенсорах для обнаружения других молекул. Например, присоединение ферментов, связанных с нейрональной сигнализацией, позволит изучать мозг и нервную систему. Фермент, связанный с этанолом, может лечь в основу датчика алкоголя в крови.

Устройство является примером наноэлектромеханической системы (NEMS). «Это первый случай, когда исследователи собрали все компоненты для биосенсора, от атомного до биомолекулярного уровня», — отметил Портерфилд.

На систему уже подана заявка на патент.