Por primera vez, Los ingenieros del MIT han diseñado sensores que pueden detectar moléculas de proteína individuales a medida que son secretadas por células o incluso por una sola célula.

Estos sensores, que consisten en nanotubos de carbono químicamente modificados, podría ayudar a los científicos con cualquier aplicación que requiera detectar cantidades muy pequeñas de proteína, como rastrear una infección viral, supervisar la fabricación de proteínas útiles por parte de las células, o revelando contaminación de alimentos, dicen los investigadores.

"Esperamos utilizar matrices de sensores como esta para buscar la 'aguja en un pajar, '"dice Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT. "Estas matrices representan las plataformas de detección molecular más sensibles que tenemos disponibles tecnológicamente. Puede funcionalizarlas para que pueda ver las fluctuaciones estocásticas de moléculas individuales que se unen a ellas".

Strano es el autor principal de un 23 de enero. Nanotecnología de la naturaleza documento que describe los nuevos sensores. El autor principal del artículo es Markita Landry, un ex postdoctorado del MIT que ahora es profesor asistente en la Universidad de California en Berkeley.

Otros autores del MIT son el científico investigador Hiroki Ando, ex estudiante de posgrado Allen Chen, postdoctorados Jicong Cao y Juyao Dong, y el profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática Timothy Lu. Vishal Kottadiel de la Universidad de Harvard y Linda Chio y Darwin Yang de la Universidad de California en Berkeley también son autores.

Sin límite de detección

El laboratorio de Strano ha desarrollado previamente sensores que pueden detectar muchos tipos de moléculas, todo basado en modificaciones de nanotubos de carbono:huecos, Cilindros de carbono de nanómetros de espesor que emiten fluorescencia de forma natural cuando se exponen a la luz láser. Para convertir los nanotubos en sensores, El laboratorio de Strano los recubre con ADN, proteínas, u otras moléculas que puedan unirse a un objetivo específico. Cuando el objetivo está atado, la fluorescencia de los nanotubos cambia de forma mensurable.

En este caso, los investigadores utilizaron cadenas de ADN llamadas aptámeros para recubrir los nanotubos de carbono. Los esfuerzos anteriores para usar aptámeros de ADN se han visto obstaculizados debido a la dificultad de lograr que el aptámero se adhiera al nanotubo mientras mantiene la configuración que necesita para unirse a su objetivo.

Landry superó este desafío agregando una secuencia "espaciadora" entre la sección del aptámero que se une al nanotubo y la sección que se une al objetivo, permitiendo a cada región la libertad de realizar su propia función. Los investigadores demostraron con éxito sensores para una proteína de señalización llamada RAP1 y una proteína viral llamada integrasa del VIH1. y creen que el enfoque debería funcionar para muchas otras proteínas.

Para monitorear la producción de proteínas de células individuales, los investigadores instalaron una serie de sensores en un portaobjetos de microscopio. Cuando una sola bacteria, humano, o se coloca una célula de levadura en la matriz, los sensores pueden detectar cada vez que la célula secreta una molécula de la proteína diana.

"Las matrices de nanosensores como esta no tienen límite de detección, "Dice Strano." Pueden ver hasta moléculas individuales ".

Sin embargo, hay una compensación:cuantas menos moléculas haya, más tiempo se tarda en sentirlos. A medida que la molécula se vuelve más escasa, la detección puede llevar una cantidad infinita de tiempo, Dice Strano.

"El nuevo estudio de Strano y colaboradores propone un nuevo y emocionante enfoque para detectar proteínas hasta el nivel de una sola molécula, "dice Robert Hurt, un profesor de ingeniería en la Universidad de Brown que no participó en la investigación. "El trabajo impulsa la vanguardia en la detección de una sola proteína y puede permitir a los investigadores ver importantes, eventos moleculares en tiempo real a nivel de una sola célula, como la liberación de proteínas durante la división celular ".

Útiles herramientas

Los conjuntos de sensores podrían ser útiles para muchas aplicaciones diferentes, dicen los investigadores.

"Esta plataforma abrirá un nuevo camino para detectar trazas de proteínas secretadas por microorganismos, "Dong dice." Avanzará la investigación biológica [sobre] la generación de moléculas de señal, así como los esfuerzos de la industria biofarmacéutica para monitorear la salud de los microorganismos y la calidad del producto ".

En el ámbito farmacéutico, estos sensores podrían usarse para probar células diseñadas para ayudar a tratar enfermedades. Muchos investigadores ahora están trabajando en un enfoque en el que los médicos extraerían las propias células de un paciente, diseñarlos para que expresen una proteína terapéutica, y vuelva a colocarlos en el paciente.

"Creemos que estas matrices de nanosensores serán herramientas útiles para medir estas valiosas células y asegurarse de que estén funcionando como usted desea". "Dice Strano.

Él dice que los investigadores también podrían usar las matrices para estudiar la infección viral, función del neurotransmisor, y un fenómeno llamado detección de quórum, lo que permite que las bacterias se comuniquen entre sí para coordinar su expresión génica.