Клеточные рецепторы «превратили» в датчик нового поколения

Международная команда ученых использовала технологию клеточных рецепторов, чтобы создать биосенсор — устройство, которое при помощи биологических или химических реакций обнаруживает вещества в окружающей среде. Устройство поможет в разработке новых систем скрининга редких форм рака. Работа опубликована в журнале Science Advanced.

Клетки поразительны своей способностью адаптироваться к постоянно изменяющимся условиям окружающей среды. В основе этого навыка лежит крайне сложная система рецепторов, которая считывает сигнальные молекулы извне и превращает их в «набор инструкций» для клетки. Рецепторы способны обнаруживать белки и химические вещества даже в очень малых количествах: иногда даже пары молекул достаточно, чтобы запустить каскад биохимических реакций.

Команда ученых под началом Шу Гуан Чжана изучила белки-рецепторы клеточной мембраны и построила на их примере сенсорной устройство. Работа датчика основана на принципе взаимодействия клеток с окружающей средой: модифицированные белки-рецепторы, контактируя с молекулами, посылают электрический сигнал на компьютер.

На начальных этапах эксперимента ученые модифицировали мембранный иммунорецептор CXCR4. Авторы адаптировали пептид CXCR4, заменив гидрофобные части, закрепляющие белок в клеточной мембране, на гидрофильные, чтобы белок мог функционировать в свободном состоянии.

Далее исследователи зафиксировали модифицированную версию иммунорецептора, используя белки клеточной оболочки бактерий. Эти пептиды, известные как белки S-слоя, образуют своеобразный «щит» вокруг бактериальной клетки, защищая ее от воздействий окружающей среды. Когда S-белки кристаллизуются, они образуют прочный полимер из белковых молекул, который закрепляет рецептор CXCR4 на поверхности сенсора.

Для передачи электрического сигнала S-слой с зафиксированными рецепторами присоединили к чипу с транзисторами из графена.

«Когда молекула-мишень из образца связывается с рецептором, сенсорный белок меняет форму, и, таким образом, локально перестраивает структуру S-слоя. В результате электрические свойства графена меняются и трансформируются в электрический сигнал, который можно считать при помощи компьютера или смартфона, подключенных к чипу», — прокомментировала Мань Тянь Сюэ из Массачусетского технологического института.

Полученный биосенсор успешно обнаружил белок CXCL12, регулятор иммунных и воспалительных реакций, в человеческой сыворотке. В будущем ученые планируют продолжить исследования по применению разработанного биосенсора для обнаружения биомаркеров заболеваний и метастазов различных видов рака.

«Мы хотим создать устройство, которое будет очень точным и чувствительным, и позволит проводить лабораторные тесты в домашних условиях. Это особенно полезно для ранней диагностики раковых заболеваний, ведь чем раньше вы обнаружите рак, тем проще и эффективнее будет его лечение», — подытожил Шу Гуан Чжан, руководитель проекта из Массачусетского технологического института.