Forskare har designat ett system som snabbt känner igen de specifika biologiska molekyler som kan indikera sjukdom.

Teamet från Imperial College London har utvecklat en sensor i nanoskala som selektivt kan detektera proteinmolekyler på singelmolekylnivå, som skulle kunna hjälpa till i ett tidigt stadium av klinisk diagnos.

När man analyserar kroppsvätskeprover för signaler om en sjukdom, forskare letar ofta efter mycket sällsynta molekyler i en komplex blandning. För att hitta sådana "nålar i en höstack", forskare använder ofta metoder som upptäcker enstaka molekyler åt gången.

En lovande teknik är nanoporavkänning, där enskilda molekyler passerar genom ett mycket litet nanometerstort hål. Denna process resulterar i att varje molekyl producerar sin egen unika signatur, utan behov av långvarig provberedning eller kemisk modifiering.

Dock, olika molekyler av samma storlek kan producera mycket lika signaler, vilket gör det svårt att unikt identifiera målmolekylen.

För att lösa det här problemet, ett team ledd av Imperial College London har utvecklat ett system baserat på en nanopore och en nanoskala transistor, som kan känna igen målmolekyler på liknande sätt som biologiska receptorer. Detaljerna om deras nya system publiceras idag i Naturkommunikation .

Lås och nyckel

Receptorer känner igen molekyler med speciella former och binder till dem i en lås-och-nyckel-mekanism. I den här studien, transistorn i nanoskala var gjord av ett polymermaterial som kunde präglas av ett bindningsställe – "låset". Detta gör att systemet kan detektera den enda matchande "nyckeln" – en specifik målmolekyl.

För att testa att systemet fungerar som förväntat, teamet använde det för att upptäcka antikroppen som binder till insulin, en mekanism som är viktig vid diagnos av diabetes. Dock, teamet säger att systemdesignen också lätt kan tillämpas i detektionen på ett mycket bredare utbud av biologiska molekyler.

Medförfattare till studien Professor Joshua Edel, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa:"Vi har visat att vi kan prägla en polymer vid ingången till nanoporen med formen av det naturliga "låset" till "nyckel"-molekylen vi letar efter, efterliknar biologiska receptorer."

Öppna och stänga porten

Forskarna lade också till en annan funktion till det nya systemet för att lösa ett annat problem inom nanoporavkänning:om molekyler passerar för snabbt genom nanopore, de kanske inte upptäcks.

De lade till en elektrod fäst vid polymerbeläggningen av poren, bildar en nanoskala transistor, till vilken en spänning kan läggas på. Detta gör att poren fungerar som en grind - den pålagda spänningen kan "öppna" eller "stänga" porten, kontrollerar transporten av molekyler genom porerna.

Dr Aleksandar Ivanov, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa:"Vi har nu en verkligt inställbar biosensor. Genom att lägga till ny komplexitet i systemet kan vi kontrollera transporten av molekyler och kan ha längre tid att studera en specifik molekyl."

Professor Yuri Korchev, från Institutionen för medicin vid Imperial, lade till:"Det kompletta systemet kombinerar koncentration, inställbar hastighet och selektivitet, som kommer att vara kliniskt relevant i sökandet efter sällsynta proteiner som specifika typer av antikroppar och DNA-molekyler."