Материаловеды из Гарварда, Массачусетского технологического института и Университета Калифорнии разработали сенсор, способный обнаружить выделение одиночные молекулы белка, выделяемые микроорганизмами. В его основе лежит «лес» из углеродных нанотрубок, связанных с ДНК-аптамерами. Ученые надеются, что устройство поможет исследовать коммуникацию между бактериями — обмен сигнальными молекулами, позволяющий им координировать экспрессию генов. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, кратко о нем сообщает пресс-релиз MIT.

Белки в клетке выполняют огромное количество функций: ускоряют химические реакции, служат каналами для ионов, позволяют клеткам общаться между собой и выполняют транспортные функции (например, гемоглобин в крови). В связи с этим существует большое количество разных белков и выделить среди их смеси какой-то конкретный достаточно сложно. Один из способов — использовать для этого белковые антитела, способные связываться только с интересующими молекулами.

Внешний вид системы для качественного анализа одиночных белков. Markita Patricia Landry et al. / Nature Nanotechnology, 2017

Однако прочные комплексы с белками образуют не только другие белки. Некоторые короткие цепочки ДНК или РНК могут связываться с исследуемым белком даже сильнее, чем антитела. Такие частицы называют аптамерами. В традиционных методах качественного анализа требуются концентрации белков порядка миллионов частиц в миллилитре. В то же время, для исследования синтеза белков в одиночном организме требуется детектировать частицы на уровне одиночных молекул. Подобные технологии существуют лишь для меченных белков.

Авторы новой работы предложили конструкцию сенсора, способного обнаружить отдельные молекулы исследуемого белка, не требуя для этого изотопных или флуоресцентных меток в его составе. В основе метода лежит способность углеродных нанотрубок к флуоресценции. Характеристики их излучения зависят от окружения частиц.

Спектры флуоресценции углеродных нанотрубок со свободным аптамером и с комплексом аптамер-белок. Markita Patricia Landry et al. / Nature Nanotechnology, 2017

Сам сенсор состоит из массива углеродных нанотрубок, к которым привязаны аптамеры. В тот момент, когда искомый белок приближается к одной из таких нанотрубок, происходит образование молекулярного комплекса. Это предсказуемым образом смещает длину волны флуоресценции нанотрубки — ученые считывают соответствующий сигнал. Сам сенсор помещен внутрь микрофлюидной ячейки, внутри которой находятся и исследуемые организмы. Считывание флуоресценции происходит с помощью инфракрасного микроскопа.

Главная сложность состояла в том, что аптамеры меняют свою конфигурацию, будучи привязанными к нанотрубкам напрямую, и теряют селективность к белкам. Чтобы этого избежать, ученые разработали аптамеры с гибкими «хвостами», позволяющими молекулам присоединяться к углеродным нанотрубкам не искажая формы. Сенсор был опробован на нескольких молекулах — сигнальном белке RAP1 и вирусном белке HIV1-интегразе.

По словам ученых, методика практически не имеет ограничений по минимальной концентрации детектируемых частиц — сенсор способен увидеть даже одиночные частицы белков. Однако, чем меньше концентрация детектируемого вещества, тем больше требуется времени на то, чтобы его обнаружить. Основным применением для сенсора может стать исследование синтеза белков в организмах. К примеру, биофармацевтические компании смогут контролировать в режиме реального времени темпы и качество белков, производимых генно-модифицированными организмами.

Ранее химики из США и Швейцарии предложили методику определения одиночных молекул белков по их форме, размерам, заряду и другим физическим характеристикам. Она предполагает исследование электропроводности наноразмерных каналов, внутри которых передвигаются белки.

Автор: Владимир Королёв