Tragbare, druckbare und formbare Sensoren erkennen Krankheitserreger und Toxine in der Umwelt

Forscher der Tufts University School of Engineering haben eine Methode entwickelt, um Bakterien, Toxine und gefährliche Chemikalien in unserer Umwelt zu erkennen, indem sie einen Biopolymersensor verwenden, der wie Tinte auf eine Vielzahl von Materialien gedruckt werden kann, einschließlich tragbarer Gegenstände wie Handschuhe, Masken oder Alltagskleidung.

Der Sensor verwendet ein ähnliches Enzym wie Glühwürmchen und leuchtet, wenn er diese ansonsten unsichtbaren Bedrohungen erkennt. Die neue Technologie wird in der Zeitschrift beschrieben Fortgeschrittene Werkstoffe.

Der Biopolymer-Sensor, der auf rechnerisch entworfenen Proteinen und Seidenfibroin basiert, das aus den Kokons der Seidenmotte gewonnen wird Bombyx Morikönnen in Folien, Schwämme, Filter eingebettet oder wie Kunststoff geformt werden, um Gefahren in der Luft und im Wasser zu untersuchen und zu erkennen oder Infektionen oder sogar Krebs in unserem Körper anzuzeigen.

Die Forscher demonstrierten, wie der Sensor innerhalb von Minuten Licht aussendet, wenn er das SARS-CoV-2-Virus erkennt, das COVID, Anti-Hepatitis-B-Virus-Antikörper, das durch Lebensmittel übertragene Toxin Botulinum-Neurotoxin B oder den humanen epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor 2 (HER2) erkennt. , ein Indikator für das Vorhandensein von Brustkrebs.

Derzeit müssen die Sensoren, sobald sie freigelegt sind, schnell mit einer ungiftigen Chemikalie besprüht werden. Wenn das Ziel vorhanden ist, erzeugt der Sensor Licht. Die Intensität des emittierten Lichts liefert ein quantitatives Maß für die Konzentration des Ziels.

„Die Kombination aus im Labor entwickelten Proteinen und Seide ist eine Sensorplattform, die angepasst werden kann, um ein breites Spektrum chemischer und biologischer Wirkstoffe mit einem hohen Maß an Spezifität und Empfindlichkeit nachzuweisen“, sagte Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor of Engineering at der Tufts University School of Engineering und Direktor des Tufts Silklab, wo die bioresponsiven Materialien entwickelt wurden. „Zum Beispiel können SARS-CoV-2- und Anti-Hepatitis-B-Antikörper in Konzentrationen gemessen werden, die klinischen Assays nahe kommen.“

Das Sensorelement ist modular aufgebaut, sodass Entwickler neu entwickelte Proteine ​​austauschen können, um bestimmte Krankheitserreger oder Moleküle zur Messung einzufangen, während der Lichtemissionsmechanismus derselbe bleibt. „Mit dem Sensor können wir Spuren von SARS-CoV-2 in der Luft erfassen oder uns vorstellen, ihn zu modifizieren, um ihn an die nächste Bedrohung der öffentlichen Gesundheit anzupassen“, sagte Omenetto.

Er bemerkte, dass die Anwendung zur Erkennung von Brustkrebs, obwohl sie sich in einem konzeptionellen Stadium befinde, besonders interessant sei. Sein Team hat ein Proof-of-Concept-Silikon-BH-Pad entwickelt, das beim Tragen abgesonderte Flüssigkeit absorbieren kann, die Spiegel des HER2-Hormons anzeigt und einen Hinweis darauf gibt, ob möglicherweise Brustkrebs vorliegt. „Während eine weitere Entwicklung erforderlich sein wird, um den Assay zu verbessern und klinisch zu validieren, ist die Gelegenheit für eine solche Diagnostik in Alltagskleidung sicherlich überzeugend“, sagte Omenetto.

Die Sensoren können eine scheinbar unendliche Formenvielfalt annehmen. Um dies zu demonstrieren, erstellte das Forschungsteam Drohnen mit Virenerkennung, in deren Rumpf das Sensormaterial eingebettet war. Während des Fluges leiten die Propeller den Luftstrom durch den porösen Körper der Drohne, der nach der Landung untersucht werden kann. Die Drohnen, die im Beispiel auf luftübertragene Krankheitserreger (SARS-CoV-2) reagierten, könnten die Überwachung von Umgebungen aus sicherer Entfernung ermöglichen.

Schloss- und Schlüsselmechanismus

Die aktive Komponente des Biopolymer-Sensors, der von Professor David Baker am Institute for Protein Design der University of Washington (sites.uw.edu/biochemistry/faculty/david-baker/), ist ein molekularer Schalter aus Proteinen, der wie Schloss und Schlüssel funktioniert, aber mit einer Hülle versehen ist. Wenn sich ein Virus, Toxin oder ein anderes Zielmolekül nähert, bindet es an den Schalter und öffnet die Abdeckung. Ein anderer Teil des Schalters – ein molekularer Schlüssel – kann dann in das Schloss passen, und die Kombination bildet ein vollständiges Luciferase-Enzym, ähnlich dem Enzym, das Glühwürmchen und Glühwürmchen zum Leuchten bringt. Je mehr Viren, Toxine oder andere Chemikalien an den Sensor binden, desto heller das Leuchten.

Der molekulare Glimmschalter ist eingebettet in eine Proteinmischung aus Seidenkokons, Seidenfibroin genannt. Das Seidenfibroin ist die inaktive Komponente des Biopolymer-Sensors, hat aber einzigartige Eigenschaften, einschließlich der Fähigkeit, mit sicheren, wasserbasierten Methoden verarbeitet und hergestellt zu werden, und eine bemerkenswerte Vielseitigkeit, um zu verschiedenen Materialien verarbeitet zu werden, wie z. Textilien oder per Tintenstrahldrucker auf Oberflächen verteilt. Zusätzlich stabilisiert das Seidenfibroin den molekularen Glimmschalter und verlängert seine Haltbarkeit erheblich.

Diese Biopolymer-Sensoren sind ein großer Fortschritt gegenüber anderen Ansätzen zur Messung von Krankheitserregern oder Chemikalien in der Umwelt, die häufig auf biologischen Komponenten beruhen, die sich im Laufe der Zeit schnell abbauen und eine sorgfältige Lagerung erfordern. Die Sensoren hängen auch nicht von elektronischen Komponenten ab, die schwierig in flexible tragbare Materialien zu integrieren sind.

Verlängerte Haltbarkeit

Die Tufts-Forscher testeten die Haltbarkeit von Materialien, in die SARS-CoV-2-Sensoren eingebettet waren, nachdem sie sie vier Monate lang bei 60 Grad Celsius gelagert hatten, und stellten nur sehr geringe Leistungsänderungen fest. Der zu einem Schwamm geformte Brustkrebssensor wurde ein Jahr lang bei Raumtemperatur im Regal aufbewahrt und funktionierte immer noch nahe seiner ursprünglichen Empfindlichkeit.

„Das bedeutet, dass wir diese Sensorschnittstellen über lange Zeiträume herstellen, vertreiben und lagern können, ohne ihre Empfindlichkeit oder Genauigkeit zu verlieren und ohne die Notwendigkeit einer gekühlten Lagerung, was bemerkenswert ist, da sie aus Protein bestehen“, sagte Luciana d’Amone, ein Doktorand in Omenettos Labor, der das Projekt gemeinsam mit Giusy Matzeu, einem Forschungsprofessor am Silklab von Tufts, leitete.

Dieser Ansatz könnte Sensoren in verschiedenen Formaten allgemein verfügbar machen. „Zum Beispiel könnte man chirurgische Masken herstellen, die Krankheitserreger erkennen können, sie in Schachteln verpacken und sie im Laufe der Zeit wie herkömmliche Masken verwenden“, sagte d’Amone. „Wir haben auch gezeigt, dass Sie den Sensor in Lebensmittelverpackungen drucken können, um Verderb und Toxine zu verfolgen. Sie können so viele Produkte, die wir täglich verwenden, um Sensoren zu integrieren, und sie wie gewohnt lagern und verwenden.“

Das Tufts-Forschungsteam stellt sich Anwendungen für die Biopolymer-Sensoren vor, die von der Personen- und Patientenüberwachung und Infektionskontrolle im Gesundheitswesen bis zur Umweltsensorik zu Hause, am Arbeitsplatz, beim Militär und in Katastrophengebieten reichen.