Uma ilustração dos dispositivos dos pesquisadores. Fitas de grafeno (prata) são montadas em circuitos (ouro), que pode ler uma resposta quando as proteínas receptoras anexadas (roxas) se ligam a uma molécula alvo.
(Phys.org) - Quase todo processo biológico envolve a detecção da presença de um determinado produto químico. Ajustado com precisão ao longo de milhões de anos de evolução, os diferentes receptores do corpo são moldados para aceitar certas substâncias químicas-alvo. Quando eles ligam, os receptores dizem às células hospedeiras para produzir impulsos nervosos, regulam o metabolismo, defender o corpo contra invasores, ou uma miríade de outras ações, dependendo da célula, receptor, e tipo químico.
Agora, Os pesquisadores da Penn criaram um sensor químico artificial baseado em um dos receptores mais importantes do corpo humano - um que é crítico na ação de analgésicos e anestésicos. Nestes dispositivos, a ativação dos receptores produz uma resposta elétrica em vez de bioquímica, permitindo que a resposta seja lida por um computador.
Ao anexar uma versão modificada deste receptor opioide mu a tiras de grafeno, os pesquisadores mostraram uma maneira de produzir dispositivos em massa que podem ser úteis no desenvolvimento de medicamentos e em uma variedade de testes de diagnóstico.
Seu estudo combina avanços recentes de várias disciplinas e laboratórios do campus, incluindo aqueles de A.T. Charlie Johnson, diretor do Penn's Nano / Bio Interface Center e professor de física na Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, professor assistente de anestesiologia na Perelman School of Medicine, e Jeffery Saven, professor de química na Penn Arts &Sciences.
Os grupos de Saven e Liu usaram técnicas computacionais para redesenhar o receptor mu-opioide para torná-lo mais fácil de usar em pesquisas. Em seu estado natural, o receptor não é solúvel em água, tornando muitas técnicas experimentais comuns impossíveis. Pior, proteínas como este receptor normalmente seriam cultivadas em massa usando bactérias geneticamente modificadas, mas partes do receptor opióide mu natural são tóxicas para a E. coli usada neste método.
Depois que Saven e Liu resolveram esses problemas com o receptor redesenhado, eles viram que pode ser útil para Johnson, que já havia publicado um estudo sobre a ligação de uma proteína receptora semelhante a nanotubos de carbono. Nesse caso, a proteína era difícil de crescer geneticamente, e necessário incluir estruturas biológicas adicionais das membranas naturais dos receptores para permanecer estável.
Os pesquisadores conseguiram encaixar quase 200 dispositivos separados neste chip quadrado de uma polegada. Apenas um dos 193 dispositivos testados em seu experimento falhou.
Proteína redesenhada computacionalmente de Saven e Liu, Contudo, poderia ser facilmente cultivado e anexado diretamente ao grafeno, abrindo a possibilidade de dispositivos biossensores de produção em massa que utilizam esses receptores.
"Este é o tipo de projeto que o campus da Penn torna possível, "Saven diz." Mesmo com a Faculdade de Medicina do outro lado da rua e o Departamento de Física nas proximidades, Não acho que seríamos colaboradores tão próximos sem o Nano / Bio Interface Center nos apoiando. "
Com Saven e Liu fornecendo uma versão do receptor que pode se ligar de forma estável a folhas de grafeno, A equipe de Johnson refinou o processo de fabricação. Começando com uma folha de grafeno de cerca de 6 polegadas de largura por 12 polegadas de comprimento, os pesquisadores os separaram em fitas de uma polegada de comprimento e cerca de 50 mícrons de diâmetro. Então, eles colocaram as fitas em cima dos circuitos pré-fabricados.
Uma vez preso às fitas, os receptores opióides são capazes de produzir mudanças nas propriedades elétricas do grafeno circundante sempre que se ligam ao seu alvo. Essas mudanças produzem sinais elétricos que são transmitidos a um computador por meio de eletrodos vizinhos, cada conjunto representando um dispositivo separado.
"Podemos medir cada dispositivo individualmente e calcular a média dos resultados, o que reduz bastante o ruído, "Diz Johnson." Ou você pode imaginar anexar 10 tipos diferentes de receptores a 20 dispositivos cada, tudo no mesmo chip, se você quiser testar vários produtos químicos ao mesmo tempo. "
No experimento do pesquisador, eles testaram a capacidade de seus dispositivos de detectar a concentração de naltrexona, uma droga usada no tratamento da dependência de álcool e opióides porque se liga a - e bloqueia - os receptores opióides naturais que produzem os efeitos narcóticos que os pacientes buscam.
"Não está claro se os receptores nos dispositivos são tão seletivos quanto no contexto biológico, "Saven diz, "como aqueles em suas células que podem dizer a diferença entre um agonista, como morfina, e um antagonista, como naltrexona, que se liga ao receptor, mas não faz nada. Ao trabalhar com os dispositivos de grafeno funcionalizados com receptor, Contudo, não só podemos fazer melhores ferramentas de diagnóstico, mas também podemos obter uma compreensão melhor de como o sistema bimolecular realmente funciona no corpo. "
Liu observa que muitos novos opioides foram desenvolvidos ao longo dos séculos, Contudo, nenhum deles alcançou efeitos analgésicos potentes sem efeitos colaterais notórios, incluindo vício devastador e depressão respiratória.
"Esta nova ferramenta pode potencialmente ajudar no desenvolvimento de novos opioides que minimizam esses efeitos colaterais, " ele diz.
Onde quer que esses dispositivos encontrem aplicativos, eles são um testemunho da utilidade potencial do material ganhador do prêmio Nobel no qual se baseiam.
"O grafeno nos dá uma vantagem, "Johnson diz, "na medida em que sua uniformidade nos permite fazer 192 dispositivos em um chip de uma polegada, Tudo ao mesmo tempo. Ainda há uma série de coisas que precisamos resolver, mas este é definitivamente um caminho para fazer esses dispositivos em grandes quantidades. "
