تیمی تحت رهبری MIT با الهام از سیستمهای حسی طبیعی، حسگر جدیدی طراحی کردهاند که میتواند همان مولکولهایی را که گیرندههای سلولی طبیعی میتوانند شناسایی کنند، شناسایی کند.
در کاری که چندین فناوری جدید را ترکیب میکند، محققان نمونه اولیه حسگری را ایجاد کردند که میتواند یک مولکول ایمنی به نام CXCL12 را تا دهها یا صدها قسمت در میلیارد تشخیص دهد. به گفته محققان، این اولین گام مهم برای توسعه سیستمی است که میتواند برای انجام غربالگریهای معمولی برای سرطانهای غیرقابل تشخیص یا تومورهای متاستاتیک یا بهعنوان یک “بینی الکترونیکی” بسیار بیومیمتیک استفاده شود.
امید ما این است که یک دستگاه ساده بسازیم که به شما امکان می دهد تست در خانه را با حساسیت و ویژگی بالا انجام دهید. هرچه زودتر سرطان را تشخیص دهید، درمان بهتری انجام میشود، بنابراین تشخیص زودهنگام سرطان یکی از حوزههای مهمی است که ما میخواهیم وارد آن شویم.»
شوگوانگ ژانگ، محقق اصلی در آزمایشگاه رسانه MIT
این دستگاه از غشایی که همه سلول ها را احاطه کرده است الهام می گیرد. در چنین غشایی هزاران پروتئین گیرنده وجود دارند که مولکولهای موجود در محیط را شناسایی میکنند. تیم MIT برخی از این پروتئین ها را به گونه ای اصلاح کرد که بتوانند در خارج از غشاء زنده بمانند و آنها را در لایه ای از پروتئین های متبلور در بالای مجموعه ای از ترانزیستورهای گرافن لنگر انداختند. هنگامی که مولکول هدف در یک نمونه شناسایی می شود، این ترانزیستورها اطلاعات را به رایانه یا گوشی هوشمند منتقل می کنند.
به گفته محققان، این نوع حسگر به طور بالقوه می تواند برای تجزیه و تحلیل مایعات بدن مانند خون، اشک یا بزاق سازگار باشد و بسته به نوع پروتئین گیرنده مورد استفاده، می تواند اهداف مختلف را به طور همزمان بررسی کند.
Rui Qing، دانشمند تحقیقاتی سابق MIT که اکنون دانشیار دانشگاه Shanghai Jiao است، میگوید: «ما گیرندههای حیاتی را از سیستمهای بیولوژیکی شناسایی میکنیم و آنها را روی یک رابط بیوالکترونیکی متصل میکنیم، و به ما این امکان را میدهد که همه آن سیگنالهای بیولوژیکی را جمعآوری کنیم و سپس آنها را به خروجیهای الکتریکی تبدیل کنیم که میتوانند توسط الگوریتمهای یادگیری ماشینی تجزیه و تحلیل و تفسیر شوند.»
Qing و Mantian Xue PhD ’23، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند که امروز در پیشرفت علم. همراه با ژانگ، توماس پالاسیوس، مدیر آزمایشگاه میکروسیستمهای MIT و استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر، و اووه اسلیتر، استاد بازنشسته در موسسه زیستمعماری مصنوعی در دانشگاه منابع طبیعی و علوم زیستی در وین، نویسندگان ارشد این مقاله هستند.
عاری از غشا
اکثر حسگرهای تشخیصی فعلی بر پایه آنتی بادی ها یا آپتامرها (رشته های کوتاه DNA یا RNA) هستند که می توانند یک مولکول هدف خاص را از مایعی مانند خون جذب کنند. با این حال، هر دوی این رویکردها دارای محدودیتهایی هستند: آپتامرها را میتوان به راحتی توسط مایعات بدن تجزیه کرد، و ساخت آنتیبادیها به گونهای که هر دسته یکسان باشد، میتواند دشوار باشد.
یکی از روشهای جایگزینی که دانشمندان بررسی کردهاند، ساخت حسگرهایی بر اساس پروتئینهای گیرنده موجود در غشای سلولی است که سلولها از آن برای نظارت و پاسخ به محیط خود استفاده میکنند. ژنوم انسان هزاران گیرنده از این قبیل را رمزگذاری می کند. با این حال، کار با این پروتئین های گیرنده دشوار است، زیرا پس از حذف از غشای سلولی، تنها در صورتی ساختار خود را حفظ می کنند که در مواد شوینده معلق باشند.
در سال 2018، ژانگ، چینگ و دیگران روش جدیدی را برای تبدیل پروتئینهای آبگریز به پروتئینهای محلول در آب، با تعویض چند اسید آمینه آبگریز با اسیدهای آمینه آبدوست، گزارش کردند. این روش کد QTY نامیده می شود، پس از حروف نشان دهنده سه اسید آمینه آبدوست -; گلوتامین، ترئونین و تیروزین -؛ که جای اسیدهای آمینه آبگریز لوسین، ایزولوسین، والین و فنیل آلانین را می گیرند.
ژانگ می گوید: “مردم برای دهه ها سعی کرده اند از گیرنده ها برای سنجش استفاده کنند، اما برای استفاده گسترده چالش برانگیز است، زیرا گیرنده ها برای پایدار نگه داشتن آنها به مواد شوینده نیاز دارند. تازگی رویکرد ما این است که می توانیم آنها را محلول در آب کنیم و می توانیم آنها را در مقادیر زیاد و ارزان تولید کنیم.”
ژانگ و اسلیتر، که همکاران قدیمی هستند، تصمیم گرفتند با همکاری یکدیگر سعی کنند نسخههای محلول در آب پروتئینهای گیرنده را با استفاده از پروتئینهای باکتریایی که Sleytr سالها مطالعه کرده است، به یک سطح متصل کنند. این پروتئین ها که به عنوان پروتئین های لایه S شناخته می شوند، به عنوان بیرونی ترین لایه سطحی پوشش سلولی در بسیاری از انواع باکتری ها و باستانی ها یافت می شوند.
هنگامی که پروتئین های لایه S متبلور می شوند، آرایه های تک مولکولی منسجم را روی یک سطح تشکیل می دهند. اسلیتر قبلا نشان داده بود که این پروتئین ها را می توان با پروتئین های دیگر مانند آنتی بادی ها یا آنزیم ها ترکیب کرد. برای این مطالعه، محققان، از جمله دانشمند ارشد آندریاس بریتویزر، که همچنین یکی از نویسندگان مقاله است، از پروتئین های لایه S برای ایجاد یک صفحه بسیار متراکم و بی حرکت از یک نسخه محلول در آب از پروتئین گیرنده به نام CXCR4 استفاده کردند. این گیرنده به یک مولکول هدف به نام CXCL12 که نقش مهمی در چندین بیماری انسانی از جمله سرطان دارد و به گلیکوپروتئین پوشش HIV که مسئول ورود ویروس به سلولهای انسانی است، متصل میشود.
اسلیتر میگوید: «ما از این سیستمهای لایه S استفاده میکنیم تا به همه این مولکولهای عملکردی اجازه دهیم به یک سطح در یک آرایه تک مولکولی، در یک توزیع و جهتگیری کاملاً مشخص، متصل شوند. “این مانند یک صفحه شطرنج است که می توانید مهره های مختلف را به شیوه ای بسیار دقیق بچینید.”
محققان فناوری سنجش خود را RESENSA (آرایه نانو حسگر الکتریکی گیرنده S-layer) نامیدند.
حساسیت با بیومیمیک
این لایه های S متبلور شده را می توان تقریباً بر روی هر سطحی رسوب داد. برای این کاربرد، محققان لایه S را به تراشه ای با آرایه های ترانزیستوری مبتنی بر گرافن که قبلاً آزمایشگاه Palacios توسعه داده بود، متصل کردند. ضخامت تک اتمی ترانزیستورهای گرافن آنها را برای توسعه آشکارسازهای بسیار حساس ایده آل می کند.
Xue با کار در آزمایشگاه Palacios، تراشه را طوری تطبیق داد که بتواند با یک لایه دوگانه پروتئین پوشانده شود. پروتئین های متبلور لایه S متصل به پروتئین های گیرنده محلول در آب. هنگامی که یک مولکول هدف از نمونه به پروتئین گیرنده متصل می شود، بار هدف، خواص الکتریکی گرافن را به گونه ای تغییر می دهد که می توان به راحتی کمی آن را تعیین کرد و به رایانه یا تلفن هوشمند متصل به تراشه منتقل کرد.
Xue می گوید: “ما گرافن را به عنوان ماده مبدل انتخاب کردیم زیرا خواص الکتریکی عالی دارد، به این معنی که می تواند آن سیگنال ها را بهتر ترجمه کند. بالاترین نسبت سطح به حجم را دارد زیرا ورقه ای از اتم های کربن است، بنابراین هر تغییر روی سطح، ناشی از رویدادهای اتصال پروتئین، مستقیماً به کل ماده ترجمه می شود.”
تراشه ترانزیستور گرافن را می توان با پروتئین های گیرنده لایه S با تراکم 1 تریلیون گیرنده در سانتی متر مربع با جهت رو به بالا پوشاند. این به تراشه اجازه می دهد تا از حداکثر حساسیت ارائه شده توسط پروتئین های گیرنده، در محدوده بالینی مرتبط برای آنالیت های هدف در بدن انسان، استفاده کند. به گفته محققان، این تراشه آرایه بیش از 200 دستگاه را ادغام میکند و یک افزونگی در تشخیص سیگنال ارائه میکند که به اطمینان از اندازهگیریهای قابل اعتماد حتی در مورد مولکولهای کمیاب، مانند مولکولهایی که میتوانند وجود تومور در مراحل اولیه یا شروع بیماری آلزایمر را نشان دهند، کمک میکند.
به گفته محققان، به لطف استفاده از کد QTY، میتوان پروتئینهای گیرنده طبیعی موجود را تغییر داد که میتوان از آنها برای تولید مجموعهای از حسگرها در یک تراشه استفاده کرد تا تقریباً هر مولکولی را که سلولها میتوانند تشخیص دهند، نمایش دهند. چینگ میگوید: «هدف ما این است که فناوری پایه را توسعه دهیم تا یک دستگاه قابل حمل آینده را فعال کنیم که بتوانیم آن را با تلفنهای همراه و رایانهها ادغام کنیم تا بتوانید آزمایشی را در خانه انجام دهید و به سرعت متوجه شوید که آیا باید به پزشک بروید یا خیر.
این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم، موسسه MIT برای سربازان نانوتکنولوژی و ویلسون چو از شرکت دفوند تامین شده است.
منبع:
موسسه تکنولوژی ماساچوست
مرجع مجله:
DOI: 10.1126/sciadv.adf1402