Neuer Sensor ahmt Zellmembranfunktionen nach und könnte das Screening schwer zu diagnostizierender Krebsarten ermöglichen

Ein vom MIT geleitetes Team hat sich von natürlichen sensorischen Systemen inspirieren lassen und einen neuartigen Sensor entwickelt, der dieselben Moleküle erkennen könnte, die natürlich vorkommende Zellrezeptoren identifizieren können.

In einer Arbeit, die mehrere neue Technologien kombiniert, haben die Forscher einen Prototyp eines Sensors entwickelt, der ein Immunmolekül namens CXCL12 bis auf Dutzende oder Hunderte von Teilen pro Milliarde erkennen kann. Dies sei ein wichtiger erster Schritt zur Entwicklung eines Systems, das zur Durchführung von Routineuntersuchungen auf schwer zu diagnostizierende Krebsarten oder metastasierende Tumoren oder als hochgradig biomimetische elektronische „Nase“ eingesetzt werden könnte, sagen die Forscher.

„Wir hoffen, ein einfaches Gerät zu entwickeln, mit dem Sie Tests zu Hause mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit durchführen können. Je früher Sie Krebs erkennen, desto besser ist die Behandlung. Daher ist die Frühdiagnose von Krebs ein wichtiger Bereich, in den wir gehen möchten“, sagt Shuguang Zhang, leitender Forschungswissenschaftler im Media Lab des MIT.

Das Gerät lässt sich von der Membran inspirieren, die alle Zellen umgibt. In solchen Membranen befinden sich Tausende von Rezeptorproteinen, die Moleküle in der Umgebung erkennen. Das MIT-Team modifizierte einige dieser Proteine ​​so, dass sie außerhalb der Membran überleben konnten, und verankerte sie in einer Schicht kristallisierter Proteine ​​auf einer Reihe von Graphentransistoren. Wenn das Zielmolekül in einer Probe nachgewiesen wird, leiten diese Transistoren die Informationen an einen Computer oder ein Smartphone weiter.

Diese Art von Sensor könnte möglicherweise angepasst werden, um jede Körperflüssigkeit wie Blut, Tränen oder Speichel zu analysieren, sagen die Forscher, und könnte je nach Art der verwendeten Rezeptorproteine ​​gleichzeitig nach vielen verschiedenen Zielen suchen.

„Wir identifizieren kritische Rezeptoren aus biologischen Systemen und verankern sie an einer bioelektronischen Schnittstelle. Dadurch können wir all diese biologischen Signale sammeln und sie dann in elektrische Ausgänge umwandeln, die von Algorithmen für maschinelles Lernen analysiert und interpretiert werden können“, sagt Rui Qing, ein ehemaliger Forschungswissenschaftler am MIT, der jetzt außerordentlicher Professor an der Shanghai Jiao Tong University ist.

Qing und Mantian Xue Ph.D. sind die Hauptautoren der Studie, die in erscheint Wissenschaftliche Fortschritte. Neben Zhang sind Tomás Palacios, Direktor des Microsystems Laboratory des MIT und Professor für Elektrotechnik und Informatik, und Uwe Sleytr, emeritierter Professor am Institut für Synthetische Bioarchitekturen der Universität für Bodenkultur Wien, leitende Autoren des Papiers.

Frei von Membranen

Die meisten aktuellen Diagnosesensoren basieren entweder auf Antikörpern oder Aptameren (kurzen DNA- oder RNA-Strängen), die ein bestimmtes Zielmolekül aus einer Flüssigkeit wie Blut einfangen können. Beide Ansätze haben jedoch ihre Grenzen: Aptamere können leicht durch Körperflüssigkeiten abgebaut werden und die Herstellung von Antikörpern, sodass jede Charge identisch ist, kann schwierig sein.

Ein alternativer Ansatz, den Wissenschaftler erforscht haben, ist der Bau von Sensoren auf der Grundlage der in Zellmembranen vorkommenden Rezeptorproteine, mit denen Zellen ihre Umgebung überwachen und auf sie reagieren. Das menschliche Genom kodiert Tausende solcher Rezeptoren. Allerdings ist es schwierig, mit diesen Rezeptorproteinen zu arbeiten, da sie nach der Entfernung aus der Zellmembran ihre Struktur nur beibehalten, wenn sie in einem Detergens suspendiert werden.

Im Jahr 2018 berichteten Zhang, Qing und andere über einen neuartigen Weg, hydrophobe Proteine ​​in wasserlösliche Proteine ​​umzuwandeln, indem sie einige hydrophobe Aminosäuren durch hydrophile Aminosäuren ersetzten. Dieser Ansatz wird als QTY-Code bezeichnet, nach den Buchstaben, die die drei hydrophilen Aminosäuren Glutamin, Threonin und Tyrosin darstellen, die die hydrophoben Aminosäuren Leucin, Isoleucin, Valin und Phenylalanin ersetzen.

„Man hat jahrzehntelang versucht, Rezeptoren für die Sensorik zu nutzen, aber eine breite Anwendung ist schwierig, weil Rezeptoren Detergenzien benötigen, um stabil zu bleiben. Das Neue an unserem Ansatz ist, dass wir sie wasserlöslich machen und sie in großen Mengen kostengünstig herstellen können“, sagt Zhang.

Zhang und Sleytr, die seit langem zusammenarbeiten, beschlossen, sich zusammenzuschließen, um zu versuchen, wasserlösliche Versionen von Rezeptorproteinen an eine Oberfläche zu binden. Dabei verwendeten sie bakterielle Proteine, die Sleytr seit vielen Jahren untersucht. Diese Proteine, bekannt als S-Layer-ProteineSie kommen als äußerste Oberflächenschicht der Zellhülle bei vielen Arten von Bakterien und Archaeen vor.

Wenn S-Schicht-Proteine ​​kristallisiert werden, bilden sie kohärente monomolekulare Anordnungen auf einer Oberfläche. Sleytr hatte zuvor gezeigt, dass diese Proteine ​​mit anderen Proteinen wie Antikörpern oder Enzymen fusioniert werden können.

Für diese Studie verwendeten die Forscher, darunter der leitende Wissenschaftler Andreas Breitwieser, der auch Co-Autor der Arbeit ist, S-Layer-Proteine, um eine sehr dichte, immobilisierte Schicht einer wasserlöslichen Version eines Rezeptorproteins namens CXCR4 zu erzeugen. Dieser Rezeptor bindet an ein Zielmolekül namens CXCL12, das bei mehreren menschlichen Krankheiten, einschließlich Krebs, eine wichtige Rolle spielt, und an ein HIV-Hüllglycoprotein, das für den Viruseintritt in menschliche Zellen verantwortlich ist.

„Wir nutzen diese S-Schicht-Systeme, um all diesen funktionellen Molekülen die Bindung an eine Oberfläche in einer monomolekularen Anordnung zu ermöglichen, und zwar in einer sehr genau definierten Verteilung und Ausrichtung“, sagt Sleytr. „Es ist wie ein Schachbrett, auf dem man verschiedene Figuren sehr präzise anordnen kann.“

Die Forscher nannten ihre Sensortechnologie RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

Sensibilität mit Biomimikry

Diese kristallisierten S-Schichten können auf nahezu jeder Oberfläche abgeschieden werden. Für diese Anwendung befestigten die Forscher die S-Schicht auf einem Chip mit Transistoranordnungen auf Graphenbasis, die das Labor von Palacios zuvor entwickelt hatte. Die einatomige Dicke der Graphentransistoren macht sie ideal für die Entwicklung hochempfindlicher Detektoren.

Xue arbeitete im Labor von Palacios und passte den Chip so an, dass er mit einer Doppelschicht aus Proteinen beschichtet werden konnte – kristallisierten S-Schicht-Proteinen, die an wasserlösliche Rezeptorproteine ​​gebunden sind. Wenn ein Zielmolekül aus der Probe an ein Rezeptorprotein bindet, verändert die Ladung des Ziels die elektrischen Eigenschaften des Graphens auf eine Weise, die leicht quantifiziert und an einen mit dem Chip verbundenen Computer oder Smartphone übertragen werden kann.

„Wir haben Graphen als Wandlermaterial gewählt, weil es über hervorragende elektrische Eigenschaften verfügt, was bedeutet, dass es diese Signale besser umsetzen kann. Es hat das höchste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, da es sich um eine Schicht aus Kohlenstoffatomen handelt, sodass jede durch die Proteinbindungsereignisse verursachte Veränderung an der Oberfläche direkt auf die gesamte Masse des Materials übertragen wird“, sagt Xue.

Der Graphen-Transistorchip kann mit S-Layer-Rezeptorproteinen mit einer Dichte von 1 Billion Rezeptoren pro Quadratzentimeter bei Aufwärtsorientierung beschichtet werden. Dadurch kann der Chip die maximale Empfindlichkeit der Rezeptorproteine ​​innerhalb des klinisch relevanten Bereichs für Zielanalyten im menschlichen Körper nutzen.

Der Array-Chip integriert mehr als 200 Geräte und sorgt so für eine Redundanz bei der Signalerkennung, die dazu beiträgt, zuverlässige Messungen auch bei seltenen Molekülen zu gewährleisten, etwa solchen, die das Vorhandensein eines Tumors im Frühstadium oder den Ausbruch der Alzheimer-Krankheit aufdecken könnten, sagen die Forscher.

Dank der Verwendung von QTY-Code ist es möglich, natürlich vorkommende Rezeptorproteine ​​zu modifizieren, die dann, so die Forscher, verwendet werden könnten, um eine Reihe von Sensoren in einem einzigen Chip zu erzeugen, um praktisch jedes Molekül zu untersuchen, das Zellen erkennen können. „Unser Ziel ist die Entwicklung der Basistechnologie für ein zukünftiges tragbares Gerät, das wir in Mobiltelefone und Computer integrieren können, sodass Sie zu Hause einen Test durchführen und schnell herausfinden können, ob Sie zum Arzt gehen sollten“, sagt Qing.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.