Датчики на основе природных реакций для непрерывного мониторинга метаболизма

Метаболиты — ключевые соединения, участвующие в производстве энергии, регуляции клеток и поддержании баланса в организме. Мониторинг этих молекул важен для понимания здоровья, болезней и реакции на лечение. Однако современные методы (лабораторные анализы) дают лишь кратковременные «снимки», а существующие непрерывные датчики в основном ограничены измерением глюкозы в крови.

Междисциплинарная группа под руководством Калифорнийского наносистемного института (CNSI) в UCLA представила новую технологию датчиков. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Принцип работы: использование природных биохимических процессов

Датчики построены на электродах из однослойных углеродных нанотрубок. Они функционируют как миниатюрные биохимические лаборатории, используя ферменты и кофакторы для воспроизведения метаболических реакций организма. В зависимости от целевого метаболита, датчики либо обнаруживают его напрямую, либо сначала преобразуют в обнаруживаемую форму через цепочку ферментативных реакций.

Обнаружение основано на ферментах, катализирующих реакции с переносом электронов. На поверхности электродов эти реакции генерируют электрический ток, который измеряется для определения уровня метаболитов. Другие ферменты работают параллельно, нейтрализуя мешающие молекулы и предотвращая ложные сигналы.

Технология получила название «тандемные метаболические реакционные датчики» (TMR sensors).

«Мы используем собственный молекулярный механизм природы для отслеживания тех самых биохимических процессов, которые он поддерживает», — говорит старший автор Самад Эмаминежад.

В отличие от традиционных ферментативных датчиков, которые в основном поддерживают одноступенчатые реакции без кофакторов, TMR-сенсоры с кофакторами могут напрямую обнаруживать более 800 метаболитов. С одним шагом преобразования они охватывают более двух третей метаболитов организма.

Демонстрация возможностей

В серии экспериментов технология продемонстрировала способность непрерывно и с высокой чувствительностью измерять набор из 12 клинически важных метаболитов:

• Измерения в образцах пота и слюны пациентов, получающих лечение от эпилепсии.
• Измерения у лиц с состояниями, напоминающими осложнения диабета.
• Обнаружение метаболита, производимого кишечными бактериями, в мозге — его накопление может вызывать неврологические расстройства.

Потенциальные применения

• Медицина: ранняя диагностика метаболических и сердечно-сосудистых заболеваний, персонализация лечения.
• Спорт: оптимизация фитнеса и производительности за счёт отслеживания метаболизма энергии.
• Разработка лекарств: оценка влияния терапий (например, противораковых препаратов или антибиотиков) на метаболические пути в реальном времени.
• Промышленность: оптимизация производства фармацевтики, биотоплива и других веществ с помощью инженерных микробов.
• Фундаментальные исследования: изучение связи «кишечник-мозг» за счёт непрерывного отслеживания метаболитов.

Сейчас команда сосредоточена на адаптации платформы для решения новых исследовательских задач и диагностических возможностей.