Biosensor könnte zu neuen Medikamenten führen, Sinnesorgane auf einem Chip

Ein synthetischer Biosensor, der Eigenschaften von Zellmembranen nachahmt und eine elektronische Anzeige der Aktivität liefert, könnte zu einem besseren Verständnis der Zellbiologie, der Entwicklung neuer Medikamente und der Schaffung von Sinnesorganen auf einem Chip führen, der Chemikalien erkennen kann, ähnlich wie Nasen und Zungen funktionieren.

Eine Studie mit dem Titel „Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor vie Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode“ wurde am 18. Januar in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Synthetische Biologie.

Die in der Veröffentlichung beschriebene biotechnische Meisterleistung nutzt die synthetische Biologie, um eine Zellmembran und ihre eingebetteten Proteine, die Torwächter der Zellfunktionen sind, nachzubilden. Eine leitfähige Sensorplattform ermöglicht eine elektronische Anzeige, wenn ein Protein aktiviert wird. Zu testen, ob und wie ein Molekül mit Proteinen in einer Zellmembran reagiert, könnte viele Anwendungen generieren.

Aber das Einbetten von Membranproteinen in Sensoren war notorisch schwierig, bis die Autoren der Studie bioelektronische Sensoren mit einem neuen Ansatz zur Synthese von Proteinen kombinierten.

„Diese Technologie ermöglicht es uns wirklich, diese Proteine ​​auf eine Weise zu untersuchen, die mit der derzeitigen Technologie unglaublich herausfordernd, wenn nicht sogar unmöglich wäre“, sagte Erstautor Zachary Manzer, Doktorand im Labor der leitenden Autorin Susan Daniel, Fred H. Rhodes Professor und Direktor der Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering an der Cornell Engineering.

Proteine ​​innerhalb von Zellmembranen erfüllen viele wichtige Funktionen, einschließlich der Kommunikation mit der Umgebung, der Katalyse chemischer Reaktionen und der Bewegung von Verbindungen und Ionen durch die Membranen. Wenn ein Membranproteinrezeptor aktiviert wird, bewegen sich geladene Ionen durch einen Membrankanal und lösen eine Funktion in der Zelle aus. Beispielsweise feuern Gehirnneuronen oder Muskelzellen, wenn Hinweise von Nerven geladenen Kalziumionenkanälen signalisieren, sich zu öffnen.

Die Forscher haben einen Biosensor entwickelt, der mit einem leitfähigen Polymer beginnt, das weich und leicht zu bearbeiten ist, auf einem Träger, der zusammen als elektrischer Schaltkreis fungiert, der von einem Computer überwacht wird. Auf dem Polymer liegt eine Schicht aus Lipid-(Fett-)Molekülen, die die Membran bildet, und die interessierenden Proteine ​​sind innerhalb der Lipide angeordnet.

In diesem Machbarkeitsnachweis haben die Forscher eine zellfreie Plattform geschaffen, die es ihnen ermöglichte, ein Modellprotein direkt in diese künstliche Membran zu synthetisieren. Das System verfügt über eine integrierte Dual-Readout-Technologie. Da die Komponenten des Sensors transparent sind, können Forscher optische Techniken verwenden, wie z Protein selbst während eines zellulären Prozesses. Sie können auch die elektronische Aktivität aufzeichnen, um zu sehen, wie das Protein durch cleveres Schaltungsdesign funktioniert.

„Dies ist wirklich die erste Demonstration der Nutzung der zellfreien Synthese von Transmembranproteinen in Biosensoren“, sagte Daniel. „Es gibt keinen Grund, warum wir nicht viele verschiedene Arten von Proteinen in dieser allgemeinen Plattform exprimieren könnten.“

Derzeit haben Forscher Proteine, die aus lebenden Zellen gezüchtet und extrahiert wurden, für ähnliche Anwendungen verwendet, aber angesichts dieses Fortschritts müssen Benutzer Proteine ​​nicht in Zellen züchten und sie dann ernten und in die Membranplattform einbetten. Stattdessen können sie sie direkt aus DNA, der Grundvorlage für Proteine, synthetisieren.

„Wir können den gesamten Prozess der Zelle als Fabrik, die das Protein produziert, umgehen“, sagte Daniel, „und die Proteine ​​selbst biologisch herstellen.“

Mit einem solchen System könnte ein Arzneimittelchemiker, der an einem bestimmten Protein interessiert ist, das an einer Krankheit beteiligt ist, potenziell therapeutische Moleküle über dieses Protein fließen lassen, um zu sehen, wie es reagiert. Oder ein Wissenschaftler, der einen Umweltsensor entwickeln möchte, könnte ein bestimmtes Protein auf der Plattform platzieren, das empfindlich auf eine Chemikalie oder einen Schadstoff reagiert, wie sie beispielsweise im Wasser von Seen vorkommen.

„Wenn Sie an Ihre Nase oder Ihre Zunge denken, feuern jedes Mal, wenn Sie etwas riechen oder schmecken, Ionenkanäle“, sagte Manzer. Wissenschaftler können jetzt die Proteine ​​nehmen, die aktiviert werden, wenn wir etwas riechen, und die Ergebnisse in dieses elektronische System übersetzen, um Dinge zu erfassen, die mit einem chemischen Sensor möglicherweise nicht nachweisbar sind.

Der neue Sensor öffnet Pharmakologen die Tür zur Erforschung, wie nicht-opioide Schmerzmittel oder Medikamente zur Behandlung der Alzheimer- oder Parkinson-Krankheit hergestellt werden können, die mit Zellmembranproteinen interagieren.