MIT kemiingenjörer har utvecklat ett nytt sätt att generera nanopartiklar som kan känna igen specifika molekyler, öppnar upp ett nytt tillvägagångssätt för att bygga hållbara sensorer för många olika föreningar, bland andra applikationer.

För att skapa dessa "syntetiska antikroppar, "Forskarna använde kolnanorör - ihåliga, nanometertjocka cylindrar gjorda av kol som naturligt fluorescerar när de utsätts för laserljus. Förr, Forskare har utnyttjat detta fenomen för att skapa sensorer genom att belägga nanorören med molekyler, som naturliga antikroppar, som binder till ett visst mål. När målet träffas, kolnanorörets fluorescens ljusnar eller dämpas.

MIT-teamet fann att de kunde skapa nya sensorer genom att belägga nanorören med specifikt designade amfifila polymerer - polymerer som dras till både olja och vatten, som tvål. Detta tillvägagångssätt erbjuder ett stort utbud av igenkänningswebbplatser som är specifika för olika mål, och kan användas för att skapa sensorer för att övervaka sjukdomar som cancer, inflammation, eller diabetes i levande system.

"Denna nya teknik ger oss en oöverträffad förmåga att känna igen vilken målmolekyl som helst genom att screena nanorör-polymerkomplex för att skapa syntetiska analoger till antikroppsfunktion, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och senior författare till studien, som visas i nätupplagan den 24 november av Naturens nanoteknik .

Huvudförfattarna till uppsatsen är nyligen doktorand Jingqing Zhang, postdoc Markita Landry, och tidigare postdoktorer Paul Barone och Jong-Ho Kim.

Syntetiska antikroppar

De nya polymerbaserade sensorerna erbjuder en syntetisk designmetod för produktion av molekylära igenkänningsplatser – vilket möjliggör, bland andra applikationer, detekteringen av ett potentiellt oändligt bibliotek av mål. Dessutom, detta tillvägagångssätt kan ge ett mer hållbart alternativ till att belägga sensorer som kolnanorör med faktiska antikroppar, som kan bryta ner inuti levande celler och vävnader. En annan familj av allmänt använda igenkänningsmolekyler är DNA-aptamerer, som är korta bitar av DNA som interagerar med specifika mål, beroende på aptamersekvensen. Dock, det finns inte aptamerer specifika för många av molekylerna som man kanske vill upptäcka, säger Strano.

I den nya tidningen, forskarna beskriver molekylära igenkänningsplatser som möjliggör skapandet av sensorer specifika för riboflavin, östradiol (en form av östrogen), och L-tyroxin (ett sköldkörtelhormon), men de arbetar nu på platser för många andra typer av molekyler, inklusive neurotransmittorer, kolhydrater, och proteiner.

Deras tillvägagångssätt drar fördel av ett fenomen som uppstår när vissa typer av polymerer binder till ett kolnanorör. Dessa polymerer, känd som amfifil, har både hydrofoba och hydrofila regioner. Dessa polymerer är designade och syntetiserade så att när polymererna exponeras för kolnanorör, de hydrofoba områdena låser sig på rören som ankare och de hydrofila områdena bildar en serie öglor som sträcker sig bort från rören.

Dessa slingor bildar ett nytt lager som omger nanoröret, känd som en corona. MIT-forskarna fann att slingorna i koronan är ordnade mycket exakt längs röret, och avståndet mellan ankarna avgör vilken målmolekyl som kommer att kunna kila in i slingorna och förändra kolnanorörets fluorescens.

Molekylära interaktioner

Vad är unikt med detta tillvägagångssätt, forskarna säger, är att den molekylära igenkänningen inte kunde förutsägas genom att titta på strukturen hos målmolekylen och polymeren innan den fäster vid nanoröret.

"Tanken är att en kemist inte kunde titta på polymeren och förstå varför detta skulle känna igen målet, eftersom polymeren själv inte kan selektivt känna igen dessa molekyler. Det måste adsorberas på nanoröret och sedan, genom att ha vissa delar av polymeren exponerade, det bildar ett bindningsställe, " säger Strano.

Laurent Cognet, en senior vetenskapsman vid Institute of Optics vid University of Bordeaux, säger att detta tillvägagångssätt bör visa sig användbart för många tillämpningar som kräver tillförlitlig detektering av specifika molekyler.

"Detta nya koncept, baseras på molekylär igenkänning från den adsorberade fasen själv, kräver inte användning av antikroppar eller likvärdiga molekyler för att uppnå specifika molekyligenkänningar och tillhandahåller således en lovande alternativ väg för "on demand" molekylär avkänning, säger Cognet, som inte ingick i forskargruppen.

Forskarna använde en automatiserad, robotassisterad försök och felprocedur för att testa cirka 30 polymerbelagda nanorör mot tre dussin möjliga mål, ger tre träffar. De arbetar nu på ett sätt att förutsäga sådana polymer-nanorör-interaktioner baserat på strukturen av koronalagren, med hjälp av data som genererats från en ny typ av mikroskop som Landry byggde för att avbilda interaktionerna mellan kolnanorörskoronorna och deras mål.

"Vad som händer med polymeren och koronafasen har varit lite av ett mysterium, så detta är ett steg framåt för att få mer data för att lösa problemet med hur man designar ett mål för en specifik molekyl, säger Landry.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.