(Phys.org) - Nästan varje biologisk process innebär att man känner av närvaron av en viss kemikalie. Finjusterad under miljontals år av utveckling, kroppens olika receptorer är formade för att acceptera vissa målkemikalier. När de binder, receptorerna säger till sina värdceller att de producerar nervimpulser, reglera ämnesomsättningen, försvara kroppen mot inkräktare, eller otaliga andra åtgärder beroende på cellen, receptor, och kemisk typ.

Nu, Pennforskare skapade en konstgjord kemisk sensor baserad på en av människokroppens viktigaste receptorer - en som är avgörande för verkan av smärtstillande och bedövningsmedel. I dessa enheter, receptorernas aktivering ger ett elektriskt svar snarare än ett biokemiskt svar, så att svaret kan läsas upp av en dator.

Genom att fästa en modifierad version av denna mu-opioidreceptor till remsor av grafen, forskare har visat ett sätt att massproducera enheter som kan vara användbara vid läkemedelsutveckling och en mängd olika diagnostiska tester.

Deras studie kombinerar de senaste framstegen från flera discipliner och laboratorier runt campus, inklusive A.T. Charlie Johnson, chef för Penn's Nano/Bio Interface Center och professor i fysik i Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, biträdande professor i anestesiologi vid Perelman School of Medicine, och Jeffery Saven, professor i kemi i Penn Arts &Sciences.

Savens och Lius grupper har använt beräkningstekniker för att designa mu-opioidreceptorn för att göra den lättare att använda i forskning. I sitt naturliga tillstånd, receptorn är inte vattenlöslig, vilket gör många vanliga experimentella tekniker omöjliga. Värre, proteiner som denna receptor skulle normalt odlas massivt med genetiskt modifierade bakterier, men delar av den naturliga mu-opioidreceptorn är giftiga för E. coli som används i denna metod.

Efter att Saven och Liu tog upp dessa problem med den omdesignade receptorn, de såg att det kan vara användbart för Johnson, som tidigare hade publicerat en studie om att fästa ett liknande receptorprotein till kolnanorör. Isåfall, proteinet var svårt att odla genetiskt, och behövde inkludera ytterligare biologiska strukturer från receptornas naturliga membran för att förbli stabila.

Saven och Lius beräkningsdesignade protein, dock, kan lätt odlas och fästas direkt på grafen, öppnar möjligheten för massproducerande biosensoranordningar som använder dessa receptorer.

"Detta är den typ av projekt som Penn -campus möjliggör, "Saven säger." Även med medicinska skolan tvärs över gatan och fysikavdelningen i närheten, Jag tror inte att vi skulle vara så nära samarbetspartners utan att Nano/Bio Interface Center stöder oss. "

Med Saven och Liu som tillhandahåller en version av receptorn som stabilt kan binda till grafenark, Johnsons team förfinade tillverkningsprocessen. Börjar med ett ark grafen ca 6 tum brett och 12 tum långt, forskarna separerade dem i band en tum långa och cirka 50 mikron tvärs över. Sedan, de placerade band ovanpå förfabrikerade kretsar.

När de väl är fästa vid bandet, opioidreceptorerna kan producera förändringar i den omgivande grafenens elektriska egenskaper när de binder till sitt mål. Dessa förändringar ger elektriska signaler som överförs till en dator via angränsande elektroder, varje uppsättning representerar en separat enhet.

"Vi kan mäta varje enhet individuellt och genomsnittliga resultaten, vilket minskar bullret kraftigt, "Säger Johnson." Eller så kan du tänka dig att ansluta 10 olika sorters receptorer till 20 enheter vardera, alla på samma chip, om du ville testa flera kemikalier samtidigt. "

I forskarens experiment, de testade deras enheters förmåga att upptäcka koncentrationen av naltrexon, ett läkemedel som används vid alkohol- och opioidberoendebehandling eftersom det binder till - och blockerar - de naturliga opioidreceptorerna som ger de narkotiska effekterna patienter söker.

"Det är inte klart om receptorerna på enheterna är lika selektiva som de är i det biologiska sammanhanget, "Saven säger, "som de på dina celler som kan se skillnaden mellan en agonist, som morfin, och en antagonist, som naltrexon, som binder till receptorn men gör ingenting. Genom att arbeta med receptorfunktionaliserade grafenenheter, dock, inte bara kan vi göra bättre diagnostiska verktyg, men vi kan också potentiellt få en bättre förståelse för hur det bimolekylära systemet faktiskt fungerar i kroppen. "

Liu konstaterar att många nya opioider har utvecklats genom århundradena, dock, ingen av dem har uppnått starka smärtstillande effekter utan ökända biverkningar, inklusive förödande missbruk och andningsdepression.

"Detta nya verktyg kan potentiellt hjälpa utvecklingen av nya opioider som minimerar dessa biverkningar, " han säger.

Varhelst dessa enheter hittar applikationer, de är ett bevis på den potentiella användbarheten av det nobelprisvinnande materialet som de bygger på.

"Graphene ger oss en fördel, "Johnson säger, "genom att dess enhetlighet gör det möjligt för oss att göra 192 enheter på ett 1 -tums chip, alla på samma gång. Det finns fortfarande ett antal saker vi behöver träna på, men det här är definitivt en väg att göra dessa enheter i stora mängder. "