(PhysOrg.com) - Penn-forskare har hjälpt till att utveckla en nanoteknisk enhet som kombinerar kolnanorör med luktreceptorproteiner, cellkomponenterna i näsan som upptäcker lukter.

Eftersom luktreceptorer tillhör en större klass av proteiner som är involverade i att skicka signaler genom cellmembranet, dessa enheter kan ha tillämpningar utöver luktavkänning, såsom läkemedelsforskning.

Forskningen leddes av professor A. T. Charlie Johnson, postdoktor Brett R. Goldsmith och doktorand Mitchell T. Lerner vid institutionen för fysik och astronomi vid School of Arts and Sciences, tillsammans med biträdande professor Bohdana M. Discher och postdoktor Joseph J. Mitala Jr. vid institutionen för biofysik och biokemi vid Penns Perelman School of Medicine. De samarbetade med forskare från Monell Chemical Senses Center, University of Miami, University of Illinois, Princeton University och två privata företag, Nanosense Inc. och Evolved Machines Inc.

Deras arbete publicerades i tidskriften ACS Nano .

Penn-teamet arbetade med luktreceptorer från möss, men alla luktreceptorer är en del av en klass av proteiner som kallas G-proteinkopplade receptorer, eller GPCR. Dessa receptorer sitter på det yttre membranet av celler, där vissa kemikalier i miljön kan binda till dem. Bindningsverkan är det första steget i en kemisk kaskad som leder till ett cellulärt svar; i fallet med en luktreceptor, denna kaskad leder till uppfattningen av en lukt.

Penn-teamet lyckades bygga ett gränssnitt mellan detta komplicerade protein och en kolnanorörstransistor, låta dem omvandla de kemiska signaler som receptorn normalt producerar till elektriska signaler, som skulle kunna ingå i valfritt antal verktyg och prylar.

”Våra nanoteknikenheter är avläsningselement; de avlyssnar vad luktreceptorerna gör, specifikt vilka molekyler som är bundna till dem, sa Johnson.

Eftersom den speciella GPCR som teamet arbetade med var en luktreceptor, testfallet för deras nanorörsenhet var att fungera som sensor för luftburna kemikalier.

"Om det finns något i atmosfären som vill binda till den här molekylen, signalen vi får genom nanoröret handlar om vilken del av tiden som är något bundet eller inte. Det betyder att vi kan få en sammanhängande avläsning som indikerar koncentrationen av molekylen i luften, sa Johnson.

Även om man skulle kunna föreställa sig att skala upp dessa nanorörsenheter till en syntetisk näsa - att göra en för var och en av de cirka 350 olfaktoriska GPCR:erna i en mänsklig näsa, eller 1:an, 000 hittade i en hunds — Johnson tror att medicinska tillämpningar är mycket närmare att förverkligas.

"GPCR är vanliga läkemedelsmål, " sa han. "Eftersom de är kända för att vara mycket viktiga i interaktioner mellan cell och miljö, de är mycket viktiga när det gäller sjukdomspatologi. I det avseendet, vi har nu en väg till att förhöra vad dessa GPCR faktiskt svarar på. Du kan tänka dig att bygga ett chip med många av dessa enheter, var och en med olika GPCR, och att utsätta dem alla på en gång för olika droger för att se vilka som är effektiva för att utlösa ett svar."

Att ta reda på vilka typer av läkemedel som binder mest effektivt till GPCR är viktigt eftersom patogener ofta attackerar genom dessa receptorer också. Ju bättre en ofarlig kemikalie fäster vid en relevant GPCR, desto bättre är det på att blockera sjukdomen.

Penn-teamet gjorde också ett tekniskt framsteg när det gäller att stabilisera GPCR för framtida forskning.

"Förr i tiden, om du tar ut ett protein ur en cell och lägger det på en enhet, det kan pågå i en dag. Men här, vi bäddade in det i ett konstgjort cellmembran i nanoskala, som kallas nanodskiva, sa Johnson. "När vi gjorde det, de varade i två och en halv månad, istället för en dag."

Att öka livslängden för sådana enheter kan vara fördelaktigt för två vetenskapliga områden med ökande överlappning, som framgår av de stora, tvärvetenskaplig forskargrupp involverad i studien.

"Den stora bilden är att integrera nanoteknik med biologi, " sa Johnson. "Dessa komplicerade molekylära maskiner är den främsta metoden för kommunikation mellan det inre av cellen och det yttre, och nu införlivar vi deras funktionalitet med våra nanotekniska enheter."