För första gången, MIT -ingenjörer har konstruerat sensorer som kan detektera enstaka proteinmolekyler när de utsöndras av celler eller till och med en enda cell.

Dessa sensorer, som består av kemiskt modifierade kolnanorör, kan hjälpa forskare med alla applikationer som kräver upptäckt av mycket små mängder protein, som att spåra virusinfektion, övervaka cellernas tillverkning av användbara proteiner, eller avslöjar livsmedelsföroreningar, säger forskarna.

"Vi hoppas kunna använda sensorarrays så här för att leta efter nålen i en höstack, säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT. "Dessa matriser representerar de mest känsliga molekylära avkänningsplattformarna som vi har tillgängligt för oss tekniskt. Du kan funktionalisera dem så att du kan se de stokastiska fluktuationerna i enskilda molekyler som binder till dem."

Strano är seniorförfattare till den 23 januari Naturnanoteknik papper som beskriver de nya sensorerna. Tidningens huvudförfattare är Markita Landry, en tidigare MIT postdoc som nu är biträdande professor vid University of California i Berkeley.

Andra MIT -författare är forskare Hiroki Ando, tidigare doktoranden Allen Chen, postdocs Jicong Cao och Juyao Dong, och docent i elektroteknik och datavetenskap Timothy Lu. Vishal Kottadiel från Harvard University och Linda Chio och Darwin Yang från University of California i Berkeley är också författare.

Ingen detekteringsgräns

Stranos labb har tidigare utvecklat sensorer som kan upptäcka många typer av molekyler, allt baserat på modifieringar av kolnanorör - ihåliga, nanometertjocka cylindrar gjorda av kol som naturligt fluorescerar när de utsätts för laserljus. För att göra nanorör till sensorer, Stranos laboratorium täcker dem med DNA, proteiner, eller andra molekyler som kan binda till ett specifikt mål. När målet är bundet, nanorörens fluorescens förändras på ett mätbart sätt.

I detta fall, forskarna använde DNA -kedjor som kallas aptamerer för att täcka kolnanorören. Tidigare försök att använda DNA -aptamerer har stymts på grund av svårigheten att få aptamer att hålla sig till nanoröret samtidigt som den behåller den konfiguration som den behöver binda till sitt mål.

Landry övervann denna utmaning genom att lägga till en "spacer" -sekvens mellan sektionen av aptamer som fäster till nanoröret och sektionen som binder till målet, som ger varje region frihet att utföra sin egen funktion. Forskarna demonstrerade framgångsrikt sensorer för ett signalprotein som kallas RAP1 och ett viralt protein som kallas HIV1 -integras, och de tror att tillvägagångssättet borde fungera för många andra proteiner.

För att övervaka proteinproduktion av enstaka celler, forskarna satte upp en rad sensorer på ett objektglas. När en enda bakterie, mänsklig, eller jästcell placeras på matrisen, sensorerna kan detektera närhelst cellen utsöndrar en molekyl av målproteinet.

"Nanosensor -arrays som detta har ingen detektionsgräns, "Säger Strano." De kan se ner till enstaka molekyler. "

Dock, det finns en avvägning - ju färre molekyler det finns, ju längre tid det tar att känna dem. När molekylen blir mer knapp, upptäckt kan ta oändligt mycket tid, Säger Strano.

"Den nya studien av Strano och medarbetare föreslår ett spännande nytt tillvägagångssätt för att upptäcka proteiner ner till en enda molekylnivå, "säger Robert Hurt, en professor i teknik vid Brown University som inte var inblandad i forskningen. "Arbetet drar fram i spetsen för detektion av enkelprotein och kan tillåta forskare att se viktiga, realtidsmolekylära händelser på encellsnivå, såsom proteinfrisättning under celldelning. "

Användbara verktyg

Sensoruppsättningarna kan vara användbara för många olika applikationer, säger forskarna.

"Denna plattform kommer att öppna en ny väg för att upptäcka spårmängder av proteiner som utsöndras av mikroorganismer, "Säger Dong." Det kommer att främja biologisk forskning [om] generering av signalmolekyler, liksom biofarmaceutisk industris [ansträngningar att övervaka] mikroorganismens hälsa och produktkvalitet. "

På läkemedelsområdet, dessa sensorer kan användas för att testa celler som är konstruerade för att hjälpa till att behandla sjukdomar. Många forskare arbetar nu med ett tillvägagångssätt där läkare skulle ta bort en patients egna celler, konstruera dem för att uttrycka ett terapeutiskt protein, och placera dem tillbaka i patienten.

"Vi tror att dessa nanosensor -matriser kommer att vara användbara verktyg för att mäta dessa värdefulla celler och se till att de utför det som du vill att de ska, Säger Strano.

Han säger att forskare också kan använda matriserna för att studera virusinfektion, neurotransmittor funktion, och ett fenomen som kallas kvorumavkänning, vilket gör att bakterier kan kommunicera med varandra för att koordinera sitt genuttryck.