Una ilustración de los dispositivos de los investigadores. Las cintas de grafeno (plata) están montadas en circuitos (oro), que puede leer una respuesta cuando las proteínas receptoras adjuntas (violetas) se unen a una molécula diana.
(Phys.org) —Casi todos los procesos biológicos implican detectar la presencia de una determinada sustancia química. Sintonizado con precisión durante millones de años de evolución, Los diferentes receptores del cuerpo están diseñados para aceptar ciertas sustancias químicas objetivo. Cuando se unen los receptores le dicen a sus células huésped que produzcan impulsos nerviosos, regular el metabolismo, defender el cuerpo de los invasores, o una miríada de otras acciones dependiendo de la célula, receptor, y tipo químico.
Ahora, Los investigadores de Penn crearon un sensor químico artificial basado en uno de los receptores más importantes del cuerpo humano, uno que es fundamental en la acción de los analgésicos y anestésicos. En estos dispositivos, La activación de los receptores produce una respuesta eléctrica en lugar de bioquímica. permitiendo que esa respuesta sea leída por una computadora.
Al unir una versión modificada de este receptor opioide mu a tiras de grafeno, Los investigadores han mostrado una forma de producir dispositivos en masa que podrían ser útiles en el desarrollo de fármacos y una variedad de pruebas de diagnóstico.
Su estudio combina avances recientes de varias disciplinas y laboratorios alrededor del campus, incluidos los de A.T. Charlie Johnson, director del Centro de Interfaz Nano / Bio de Penn y profesor de física en Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, profesor asistente de anestesiología en la Escuela de Medicina Perelman, y Jeffery Saven, profesor de química en Penn Arts &Sciences.
Los grupos de Saven y Liu han utilizado técnicas computacionales para rediseñar el receptor opioide mu para facilitar su uso en la investigación. En su estado natural, el receptor no es soluble en agua, haciendo imposibles muchas técnicas experimentales comunes. Peor, proteínas como este receptor normalmente se cultivarían en masa utilizando bacterias modificadas genéticamente, pero partes del receptor opioide mu natural son tóxicas para la E. coli usada en este método.
Después de que Saven y Liu abordaron estos problemas con el receptor rediseñado, vieron que podría ser útil para Johnson, que había publicado anteriormente un estudio sobre la unión de una proteína receptora similar a los nanotubos de carbono. En ese caso, la proteína era difícil de cultivar genéticamente, y necesitaba incluir estructuras biológicas adicionales de las membranas naturales de los receptores para permanecer estables.
Los investigadores pudieron colocar casi 200 dispositivos separados en este chip cuadrado de una pulgada. Solo uno de los 193 dispositivos probados en su experimento falló.
La proteína rediseñada computacionalmente de Saven y Liu, sin embargo, podría cultivarse fácilmente y unirse directamente al grafeno, abriendo la posibilidad de dispositivos biosensores de producción masiva que utilicen estos receptores.
"Este es el tipo de proyecto que el campus de Penn hace posible, "Dice Saven." Incluso con la Facultad de Medicina al otro lado de la calle y el Departamento de Física cerca, No creo que seríamos colaboradores tan cercanos sin el apoyo del Centro de Interfaz Nano / Bio ".
Con Saven y Liu proporcionando una versión del receptor que podría unirse de manera estable a láminas de grafeno, El equipo de Johnson refinó el proceso de fabricación. Comenzando con una hoja de grafeno de aproximadamente 6 pulgadas de ancho por 12 pulgadas de largo, los investigadores los separaron en cintas de una pulgada de largo y alrededor de 50 micrones de ancho. Luego, colocaron las cintas encima de circuitos prefabricados.
Una vez unido a las cintas, los receptores opioides pueden producir cambios en las propiedades eléctricas del grafeno circundante cada vez que se unen a su objetivo. Esos cambios producen señales eléctricas que se transmiten a una computadora a través de electrodos vecinos, cada conjunto representa un dispositivo independiente.
"Podemos medir cada dispositivo individualmente y promediar los resultados, lo que reduce en gran medida el ruido, "Dice Johnson." O podría imaginarse conectando 10 tipos diferentes de receptores a 20 dispositivos cada uno, todo en el mismo chip, si desea realizar pruebas de varios productos químicos a la vez ".
En el experimento del investigador, probaron la capacidad de sus dispositivos para detectar la concentración de naltrexona, una droga que se usa en el tratamiento de la adicción al alcohol y los opioides porque se une a los receptores opioides naturales que producen los efectos narcóticos que buscan los pacientes y los bloquea.
"No está claro si los receptores de los dispositivos son tan selectivos como lo son en el contexto biológico, "Saven dice, "como los de sus células que pueden diferenciar entre un agonista, como la morfina, y un antagonista, como la naltrexona, que se une al receptor pero no hace nada. Al trabajar con los dispositivos de grafeno funcionalizados por receptor, sin embargo, no solo podemos crear mejores herramientas de diagnóstico, pero también podemos obtener una mejor comprensión de cómo funciona realmente el sistema bimolecular en el cuerpo ".
Liu señala que se han desarrollado muchos opioides nuevos a lo largo de los siglos, sin embargo, ninguno de ellos ha logrado efectos analgésicos potentes sin efectos secundarios notorios, incluida la adicción devastadora y la depresión respiratoria.
"Esta nueva herramienta podría ayudar potencialmente al desarrollo de nuevos opioides que minimicen estos efectos secundarios, " él dice.
Dondequiera que estos dispositivos encuentren aplicaciones, son un testimonio de la utilidad potencial del material ganador del premio Nobel en el que se basan.
"El grafeno nos da una ventaja, "Johnson dice, "porque su uniformidad nos permite fabricar 192 dispositivos en un chip de una pulgada, todo al mismo tiempo. Todavía hay una serie de cosas que debemos resolver, pero este es definitivamente un camino para fabricar estos dispositivos en grandes cantidades ".
