Bara månader efter att ha satt rekord för att detektera det minsta enstaka viruset i lösningen, forskare vid Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) har tillkännagivit ett nytt genombrott:de använde en nanoförbättrad version av deras patenterade mikrokavitetsbiosensor för att detektera ett enda cancermarkörprotein, som är en sjättedel av storleken på det minsta viruset, och ännu mindre molekyler under massan av alla kända markörer. Denna prestation slår det tidigare rekordet, sätta ett nytt riktmärke för den mest känsliga detektionsgränsen, och kan avsevärt främja tidig sjukdomsdiagnostik. Till skillnad från dagens teknik, som fäster en fluorescerande molekyl, eller etikett, till antigenet för att det ska synas, den nya processen detekterar antigenet utan en störande märkning.

Stephen Arnold, universitetsprofessor i tillämpad fysik och medlem av Othmer-Jacobs institution för kemi- och biomolekylär teknik, publicerade detaljer om prestationen i Nanobokstäver , en publikation från American Chemical Society.

Under 2012, Arnold och hans team kunde i lösning upptäcka det minsta kända RNA-viruset, MS2, med en massa av 6 attogram. Nu, med experimentellt arbete av postdoktor Venkata Dantham och tidigare student David Keng, två proteiner har upptäckts:ett humant cancermarkörprotein som heter tyroglobulin, med en massa på bara 1 attogram, och den bovina formen av ett vanligt plasmaprotein, serumalbumin, med en mycket mindre massa på 0,11 attogram. "Ett attogram är en miljondel av en miljondel av en miljondel av ett gram, sa Arnold, "och vi tror att vår nya detektionsgräns kan vara mindre än 0,01 attogram."

Denna senaste milstolpe bygger på en teknik som tagits fram av Arnold och medarbetare från NYU-Poly och Fordham University. Under 2012, forskarna satte det första storleksrekordet genom att behandla en ny biosensor med plasmoniska guld nanoreceptorer, förstärker sensorns elektriska fält och tillåter att även de minsta skiftningar i resonansfrekvens detekteras. Deras plan var att designa en medicinsk diagnostisk enhet som kan identifiera en enda viruspartikel i en vårdmiljö, utan användning av speciella analyspreparat.

Just då, idén om att upptäcka ett enda protein – fenomenalt mindre än ett virus – sattes fram som det slutliga målet.

"Proteiner styr kroppen, " förklarade Arnold. "När immunsystemet stöter på virus, det pumpar ut enorma mängder antikroppsproteiner, och alla cancerformer genererar proteinmarkörer. Ett test som kan detektera ett enda protein skulle vara det mest känsliga diagnostiska testet man kan tänka sig."

Till forskarnas förvåning, undersökning av deras nanoreceptor under ett transmissionselektronmikroskop visade att dess guldskalsyta var täckt med slumpmässiga stötar ungefär lika stora som ett protein. Datorkartläggning och simuleringar skapade av Stephen Holler, en gång Arnolds student och nu biträdande professor i fysik vid Fordham University, visade att dessa oegentligheter genererar sitt eget mycket reaktiva lokala känslighetsfält som sträcker sig över flera nanometer, förstärker sensorns kapacitet långt utöver ursprungliga förutsägelser. "Ett virus är alldeles för stort för att kunna upptäckas av detta område, " sa Arnold. "Proteiner är bara några nanometer i diameter - exakt rätt storlek för att registreras i det här utrymmet."

Implikationerna av enstaka proteindetektion är betydande och kan lägga grunden för förbättrad medicinsk behandling. Bland andra framsteg, Arnold och hans kollegor hävdar att förmågan att följa en signal i realtid - att faktiskt bevittna upptäckten av ett enda sjukdomsmarkörprotein och spåra dess rörelse - kan ge ny förståelse för hur proteiner fäster vid antikroppar.

Arnold kallade den nya metoden för etikettfri detektering "biosensing i viskande galleriläge" eftersom ljusvågor i systemet påminde honom om hur röster studsar runt det viskande galleriet under kupolen på St. Paul's Cathedral i London. En laser skickar ljus genom en glasfiber till en detektor. När en mikrosfär placeras mot fibern, vissa våglängder av ljus går in i sfären och studsar runt inuti, skapar ett dopp i ljuset som detektorn tar emot. När en molekyl som en cancermarkör klamrar sig fast vid ett guld nanoskal fäst vid mikrosfären, mikrosfärens resonansfrekvens skiftar med en mätbar mängd.