(Nanowerk Haberleri) Naturel duyu sistemlerinden esin alan MIT liderliğindeki bir ekip, organik olarak oluşan hücre reseptörlerinin tanımlayabildiği aynı molekülleri algılayabilen yeni bir sensör tasarladı.
Birkaç yeni teknolojiyi birleştiren çalışmada araştırmacılar, milyarda onlarca yada yüzlerce bölüme kadar CXCL12 adlı bir bağışıklık molekülünü algılayabilen bir prototip sensör yarattılar. Araştırmacılar, bunun teşhis edilmesi zor kanserler yada metastatik tümörler için rutin taramalar yapmak yada yüksek oranda biyomimetik bir elektronik “burun” yapmak için kullanılabilecek bir sistem geliştirmek için mühim bir ilk adım bulunduğunu söylüyor.
“Umudumuz, yüksek özgüllük ve hassasiyetle evde kontrol yapmanızı elde eden kolay bir aygıt geliştirmektir. Kanseri ne kadar erken tespit ederseniz, tedavi o denli iyi olur, bu yüzden kanser için erken teşhis, girmek istediğimiz mühim bir alandır,” diyor MIT’nin Medya Laboratuvarı’nda baş araştırmacı bilim adamı Shuguang Zhang.
Aygıt, tüm hücreleri çevreleyen zardan esin alır. Bu tür zarların içinde, ortamdaki molekülleri tespit eden binlerce alıcı protein bulunur. MIT ekibi, bu proteinlerin bazılarını, zarın haricinde hayatta kalabilmeleri için modifiye etti ve bu tarz şeyleri bir takım grafen transistörün üstündeki bir kristalize protein tabakasına tutturdu. Bir numunede hedef molekül tespit edildiğinde, bu transistörler bilgiyi bir bilgisayara yada akıllı telefona iletir.
Araştırmacılar, bu tür bir sensörün potansiyel olarak kan, gözyaşı yada tükürük benzer biçimde herhangi bir vücut sıvısını çözümleme etmek için uyarlanabileceğini ve kullanılan reseptör proteinlerinin türüne bağlı olarak birçok değişik hedefi aynı anda tarayabileceğini söylüyor.
Şu anda Shanghai Jiao Tong Üniversitesi’nde doçent olan eski bir MIT araştırma bilimcisi olan Rui Qing, “Biyolojik sistemlerden eleştiri alıcıları belirliyoruz ve onları bir biyoelektronik arayüze tutturuyoruz, bu da tüm bu biyolojik sinyalleri toplamamıza ve peşinden bu tarz şeyleri makine öğrenimi algoritmaları tarafınca çözümleme edilebilecek ve yorumlanabilecek elektriksel çıktılara dönüştürebilmemize olanak tanıyor” diyor.
Qing ve Mantian Xue PhD ’23, çalışmanın baş yazarlarıdır. Bilim Gelişimleri (“Membran reseptörü çift tek katmanlı prob ve grafen transistör dizileri ile ölçeklenebilir biyomimetik idrak etme sistemi”). Zhang ile beraber, MIT Mikrosistem Laboratuvarı direktörü ve elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi profesörü Tomás Palacios ve Viyana’daki Naturel Kaynaklar ve Yaşam Bilimleri Üniversitesi Bileşik Biyomimarlıklar Enstitüsü’nde fahri profesör olan Uwe Sleytr, yazının kıdemli yazarlarıdır.
Membran içermez
Mevcut teşhis sensörlerinin bir çok, kan benzer biçimde bir sıvıdan belirli bir hedef molekülü yakalayabilen antikorlara yada aptamerlere (kısa DNA yada RNA şeritleri) dayalıdır. Bununla beraber, bu yaklaşımların her ikisinin de sınırlamaları vardır: Aptamerler vücut sıvıları tarafınca kolayca parçalanabilir ve her partinin aynı olması için antikorların üretilmesi zor olabilir.
Bilim adamlarının keşfettiği alternatif bir yaklaşım, hücrelerin çevrelerini seyretmek ve bunlara cevap vermek için kullandıkları hücre zarlarında bulunan alıcı proteinlere dayalı sensörler oluşturmaktır. İnsan genomu bu tür binlerce reseptörü kodlar. Bununla beraber, bu alıcı proteinlerle çalışmak zor olsa gerek, zira hücre zarından çıkarıldıktan sonrasında yapılarını sadece bir deterjan içinde süspanse edildikleri takdirde korurlar.
2018’de Zhang, Qing ve ötekiler, birkaç hidrofobik amino asidi hidrofilik amino asitlerle değiştirerek hidrofobik proteinleri suda çözünür proteinlere dönüştürmenin yeni bir yolunu bildirdiler. Bu yaklaşıma, hidrofobik amino asitler lösin, izolösin, valin ve fenilalaninin yerini alan üç hidrofilik amino asidi (glutamin, treonin ve tirozin) temsil eden harflerden sonrasında QTY kodu denir.
“İnsanlar on senelerdir idrak etme için reseptörleri kullanmayı denediler, sadece yaygın kullanım zor olsa gerek zira reseptörlerin emin kalmaları için deterjana gereksinimleri vardır. Yaklaşımımızın yeniliği, onları suda çözünür hale getirebilmemiz ve büyük miktarlarda, ucuza üretebilmemizdir,” diyor Zhang.
Uzun süredir beraber çalışan Zhang ve Sleytr, Sleytr’in uzun senelerdir üstünde çalmış olduğu bakteriyel proteinleri kullanarak alıcı proteinlerin suda çözünür versiyonlarını bir yüzeye tutturmaya çalışmak için ekip meydana getirmeye karar verdiler. S tabakası proteinleri olarak malum bu proteinler, birçok bakteri ve arke türünde hücre zarfının en dış yüzey tabakası olarak bulunur.
S-tabaka proteinleri kristalleştiğinde, bir yüzey üstünde uyumlu monomoleküler diziler oluştururlar. Sleytr daha ilkin bu proteinlerin antikorlar yada enzimler benzer biçimde öteki proteinlerle kaynaşabileceğini göstermişti. Bu emek harcama için, bununla birlikte yazının ortak yazarı olan kıdemli bilim adamı Andreas Breitwieser de dahil olmak suretiyle araştırmacılar, CXCR4 isminde olan bir reseptör proteininin suda çözünür bir versiyonunun fazlaca yoğun, hareketsizleştirilmiş bir tabakasını oluşturmak için S-katmanı proteinlerini kullandılar. Bu reseptör, kanser de dahil olmak suretiyle birçok insan hastalığında mühim roller oynayan CXCL12 adlı bir hedef moleküle ve virüsün insan hücrelerine girmesinden görevli olan bir HIV kaplama glikoproteinine bağlanır.
Sleytr, “Bu S-katman sistemlerini, tüm bu işlevsel moleküllerin fazlaca iyi tanımlanmış bir dağılım ve oryantasyonda bir monomoleküler dizideki bir yüzeye bağlanmasına izin vermek için kullanıyoruz” diyor. “Değişik parçaları fazlaca kırılgan bir halde düzenleyebileceğiniz bir satranç tahtası benzer biçimde.”
Araştırmacılar, idrak etme teknolojilerine RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array) adını verdiler.
Biyomimikri ile duyarlılık
Bu kristalize S-katmanları nerede ise her yüzeye yerleştirilebilir. Bu uygulama için araştırmacılar, S katmanını Palacios’un laboratuvarının daha ilkin geliştirdiği grafen tabanlı transistör dizilerine haiz bir çipe bağladılar. Grafen transistörlerin tek atomik kalınlığı, onları oldukça kırılgan dedektörlerin geliştirilmesi için ideal kılar.
Palacios’un laboratuvarında çalışan Xue, çipi, suda çözünür reseptör proteinlerine bağlı kristalize S-katmanı proteinleri olan çift katmanlı proteinlerle kaplanacak şekilde uyarladı. Numuneden bir hedef molekül bir alıcı proteine bağlandığında, hedefin yükü grafenin elektriksel özelliklerini kolayca ölçülebilecek ve çipe bağlı bir bilgisayar yada akıllı telefona iletilebilecek şekilde değiştirir.
“Transdüktör malzemesi olarak grafeni seçtik zira muhteşem elektriksel özelliklere haiz, kısaca bu sinyalleri daha iyi çevirebiliyor. En yüksek yüzey-hacim oranına haizdir zira bir karbon atomu tabakasıdır, bu yüzden protein bağlama olaylarının niçin olduğu yüzeydeki her değişim, direkt malzemenin tüm kütlesine dönüşür,” diyor Xue.
Grafen transistör çipi, yukarı doğru yönlendirmeyle santimetre kare başına 1 trilyon reseptör yoğunluğuna haiz S-katmanı reseptör proteinleri ile kaplanabilir. Bu, çipin, insan vücudundaki hedef analitler için klinik olarak ilgili aralık içinde reseptör proteinleri tarafınca sunulan maksimum hassasiyetten yararlanmasını sağlar. Araştırmacılar, dizi çipinin 200’den fazla aleti entegre ederek, erken evre bir tümörün varlığını yada Alzheimer hastalığının başlangıcını ortaya çıkarabilecek ender moleküller durumunda bile güvenilir ölçümler sağlamaya destek olan sinyal algılamada bir fazlalık sağladığını söylüyor.
Araştırmacılar, QTY kodunun kullanılması yardımıyla, organik olarak mevcud reseptör proteinlerini değişiklik yapmak, hücrelerin algılayabildiği nerede ise her molekülü taramak için tek bir çipte bir takım sensör oluşturmak için kullanılabileceğini söylüyorlar. Qing, “Yapmayı hedeflediğimiz şey, evde bir kontrol yapabilmeniz ve doktora gitmeniz gerekip gerekmediğini süratli bir halde öğrenebilmeniz için gelecekte cep telefonları ve bilgisayarlarla entegre edebileceğimiz taşınabilir bir cihaza olanak sağlayacak temel teknolojiyi geliştirmek” diyor.
Çalışmada yer almayan Floransa Üniversitesi’nde fizyolojik kimya profesörü olan Piero Baglioni, “Bu yeni sistem, moleküler ve bileşik biyoloji, fizik ve elektrik mühendisliği benzer biçimde değişik araştırma alanlarının birleşimidir ve ekibin yaklaşımı güzel bir halde bütünleştirilmiştir” diyor. Ek olarak birçok hastalığın teşhisinde fazlaca yararlı olabilecek bir atılım olduğuna inanıyorum” dedi.
Source: www.nanowerk.com