Nanosensorius užuodžia patogenus

Naudojant mikroschemas luste, greitai ir patikimai nustatyti DNR pėdsakus

DNR tyrimas nanovamzdelyje: Anglies vamzdžio paviršiuje Makso Plancko kietojo kūno tyrimų instituto tyrėjai nustato atskiras norimos genetinės medžiagos gijas. Iš mėginio nusėda atitinkami DNR gabalai (geltona) ir jie keičia nanovamzdelio laidumą. Šį laidumo pokytį galima išmatuoti per du elektrodus, jungiančius vamzdį. © K. Balasubramanian
skaityti garsiai

Su naujais jutikliais, pagamintais iš anglies nanovamzdelių, Makso Planko tyrėjai nustatė mažus DNR pėdsakus kaip genetinę medžiagą. Kadangi šios „nosys“ reaguoja į specifines genomo sekas, jos iš principo gali būti naudojamos greitam kraujo mėginių tyrimui. Aptikti DNR būtina norint diagnozuoti įvairias ligas, tokias kaip virusų ar mikrobų užkrėtimas.

Štutgarto Maxo Plancko kietojo kūno tyrimų instituto nanosensoriai yra tokie jautrūs, kad skirtingai nuo praeities, DNR nebereikia sukoncentruoti ar žymėti daug laiko. Tyrėjai taip pat sukūrė įprastą metodą savo nanosensorių gamybai, kuris iš esmės įgalina greitą serijinę gamybą. Galutinis produktas galėtų būti mobiliojo telefono dydžio analizės prietaisas, kurį būtų galima naudoti epidemijos paveiktoje vietoje, rašo tyrėjai žurnale „Angewandte Chemie“.

Laiko reikalaujanti diagnozė

Tie, kurie per ligoninės kiaulių gripo epidemiją sirgo lengvu peršalimu ar karščiavimu, buvo išskirti ir apžiūrimi dėl kiaulių gripo, nors tai galėjo būti įprastas peršalimas. Kadangi nebuvo greito būdo aptikti ligą, izoliavimo valandos buvo susijusios su stresu. Net ir kitais infekcijų atvejais, pavyzdžiui, po avarijos, dėl jų baigties reikėtų daug greitesnės diagnozės, tolimesnis gydymas gali priklausyti.

Tačiau dažnai diagnozės nustatymas užtrunka keletą dienų. Būtent, jei diagnozė pagrįsta genetinės medžiagos DNR nustatymu. Kadangi patogeno DNR yra tik pėdsakų kraujyje, todėl jos neįmanoma aptikti dažniausiai naudojamais optiniais metodais. Todėl ieškomos DNR molekulės yra amplifikuojamos vadinamąja polimerazės grandinine reakcija (PGR) ir vėliau paženklinamos fluorescencine molekule. Tik tada vadinamasis fluorescencinis mikroskopas gali aptikti svetimą DNR.

Jutiklio lustas patogenams ieškoti: Lustas sumontuotas ant plokštės. Jos širdį sudaro nanovamzdeliai, sujungiantys du platinos elektrodus. Lustas yra padengtas poli (dimetilsiloksano) (PDMS) plokštele. Jis turi du rezervuarus ir mikrokanalą, esantį virš tarpo tarp elektrodų. Čia rezervuarai ir mikrokanalis užpildyti buferiniu tirpalu. Etaloninis elektrodas leidžia stabiliai ir pakartotinai matuoti. Atominės jėgos mikroskopo paveikslėlis (žemiau) rodo nanovamzdelius tarp elektrodų. K. Balasubramanianas / Angewandte Chemie

Anglies nanovamzdeliai kaip širdis

Turint jutiklių lustą, kuriam vadovauja Kannanas Balasubramanianas iš Makso Plancko kietojo kūno tyrimų instituto, tačiau nereikia sukoncentruoti DNR. Nes mikroskopo pagalba mikroschema nenustato genetinės medžiagos, bet labai jautria elektronika. Jo širdis yra anglies nanovamzdeliai. Juos sudaro susuktas anglies atomų tinklas. Vamzdeliai, kurių skersmuo mažesnis nei nanometras, milimetro milimetro skersmuo, pasižymi labai geru laidumu. displėjus

Jie yra tinkami kaip labai jautrūs jutikliai, nes gerą laidumą jau keičia nedideli trikdžiai, pavyzdžiui, kai molekulė jungiasi prie vamzdelio. Priežastis yra ta, kad nanovamzdelių viduje nėra atomų, taigi tyrėjai. Visi anglies atomai yra ant jo paviršiaus. Todėl paviršiaus trikdymas paveikia visą vamzdelį.

Elektronų tankio pokyčiai

Tačiau vien tik jautrumas yra tik pusė kovos, pasak mokslininkų. Kadangi biologiniame skystyje yra daugybė kitų DNR molekulių, jutiklis turi būti aklas prieš šias neįdomias molekules. Jutiklio galimybė aptikti tik specifinę DNR seką yra tai, ką mokslininkai vadina selektyvumu. Tyrėjai to pasiekia prieš matavimą surišdami tam tikras DNR molekules prie nanovamzdelių.

Jie gali sujungti su norima DNR molekule - ir tik su ja - sudaryti DNR dvigubą spiralę. Abi pusės, kaip ir raktas, ir spyna, dera kartu. Kai abi DNR molekulės sujungiamos, tai paveikia nanovamzdelį lygiai taip, tarsi molekulė būtų surišta tiesiai ant jo paviršiaus: anglies nanovamzdelio elektronų tankis Pokyčiai ir atitinkamai jo laidumas.

Mobiliųjų diagnostikos prietaisų jutiklio lustas

Štutgarto tyrėjai pastatė lustus, kuriuose keli iš anksto apdorotų anglies vamzdžių sujungia du elektrodus. Elektrodai sudaro kelių tūkstantųjų milimetrų pločio kanalą, per kurį teka tiriamasis tirpalas ir liečiasi su nanovamzdeliais. Elektrodus galima prijungti prie matavimo įtaiso, kuris nustato laidumo pokytį.

Atlikę cheminę procedūrą, tyrėjai išmatavo DNR molekules iš nanovamzdelių, kad jutiklį būtų galima panaudoti dar kartą. Vadinamasis etaloninis elektrodas padaro matavimo rezultatus atkuriamus ir stabilius.

Dirbtinis sintetinių DNR molekulių tirpalas

Pirmajame bandyme su dirbtiniu tirpalu, pagamintu iš sintetinių DNR molekulių, Štutgarto tyrėjai rado tokį mažą ieškomų molekulių pėdsaką, kurio joks jutiklis niekada negalėjo aptikti. Išreikštas skaičiais, jutiklis aptiko 2 000 molekulių DNR 30 mikrolitrų tirpalo. Tai atitinka 100 Attomolar DNR tirpalą - Attomol atitinka milijardo milijardo milijardinę dalį.

„Mes tikime, kad metodą galima patobulinti tokiu mastu, kad būtų galima aptikti kur kas mažesnes koncentracijas, kraštutiniais atvejais net pavienes molekules“, - sako Kannan Balasubramanian. Kita kliūtis, kurią nori imtis mokslininkai, yra tikrų biologinių skysčių tyrimas. Jie jau nuo to ir pradėjo.

Komandos sėkmė pagrįsta daugelį metų trukusiais tyrimais, kurių metu mokslininkai sukūrė įprastą labai jautrių anglies nanovamzdelių jutiklių lustų gamybos metodą.

Jutiklio lustai iš surinkimo linijos

„Šis metodas yra iš esmės keičiamas“, - sako „Balasubramanian“. Tai reiškia, kad jutiklio lustai gali būti gaminami masiškai. Todėl tyrėjas mano, kad Štutgarto nanosensoriai kadaise galėtų būti naudojami ląstelių dydžio mobiliesiems diagnostikos prietaisams, kad būtų galima patikimai ir greitai nustatyti patogenus lauke ar ligoninėse. (Angewandte Chemie, 2011; doi: 10.1002 / anie.201006806)

(MPG, 2011 3 29 - DLO)