Сотрудники Массачусетского технологического университета (MIT, Massachusetts Institute of Technology) предложили новый тип биосенсоров, отличающихся гибкостью и большой удельной поверхностью. Основой для биосенсора служат микроволокна, на них нанесен проводящий полимер, а к полимеру, в свою очередь, прикреплены молекулы белка авидина. В статье, вышедшей осенью прошлого года в журнале Advanced Functional Materials (импакт-фактор 8.49), авторы заявляют, что такая «трехслойная» конструкция позволяет улавливать мельчайшие концентрации биотина в жидкости – причем в 6 раз быстрее, чем если бы молекулы анализатора были присоединены к плоской поверхности. Авторы подчеркивают, что подобная структура биосенсора может быть использована для определения других биомолекул – например, пищевых патогенов.
Для чего это все надо?
Человеку в базовой комплектации положено 5 видов чувств. Этого вполне достаточно, чтобы выследить мамонта или услышать, как хрустнула ветка под лапой саблезубого тигра. Сегодня городской житель видит тигра лишь в зоопарке, а мамонта, буде таковой отыщется, ему подадут готового к употреблению, уже под соусом. Опасности измельчали – в размерах, но не в масштабе. Сегодня людей пугают вирусы и бактерии, взрывчатка и наркотики, токсины и тяжелые металлы. Каждый хотел бы знать, сколько элементов таблицы Менделеева вместила его тарелка супа или что в карманах у вон того подозрительного бородатого человека. «Химическое зрение» — вот чего сегодня не хватает современному человеку в его продолжающейся борьбе за выживание.
Биосенсоры как раз можно назвать органами условного «химического зрения». В отличие от традиционных методов химического анализа, биосенсоры могут быть не очень точны (как не точен наш глазомер по сравнению с приборным измерением), могут быть не полны (как и мы не слышим звуковые волны во всех их диапазоне). Но они обязательно должны быть быстрыми, удобными и дешевыми, потому что базовая комплектация у нас все та же, а все что сверх – надо докупать за свои кровные.
Как это работает?
Принцип действия биосенсоров достаточно прост. Представим, что нам нужно обнаружить в воде или воздухе какое-либо вещество, и мы заведомо знаем, что его не должно быть очень много. То есть это вещество рассеяно по всему объему в виде отдельных молекул, и каждая из них имеет одну и ту же структуру и пространственную геометрию. Чтобы уловить такой крошечный объект, как молекула, понадобится инструмент не менее миниатюрный – то есть, скорее всего, какая-нибудь другая молекула. Найти такую молекулу – задача номер один. Кроме того, если молекула-сенсор прореагирует с молекулой-мишенью, система должна подать сигнал – причем сигнал, который можно легко зафиксировать. Создать систему, максимально чуткую к малейшим концентрациям определяемого вещества – задача номер два.
Первую задачу, к счастью, уже решила природа. Наш организм (как и организм любого другого млекопитающего) отлично умеет распознавать чужеродные молекулы – например, белки или сахара. Всех их оптом в этом случае называют антигенами. Их появление обычно означает начало бактериального или вирусного заражения. Узнают их антитела, специальные белковые молекулы класса иммуноглобулинов. Еще во время развития эмбриона человеческий организм создает около 10 тысяч вариантов антител, чуть-чуть отличающихся друг от друга строением вариабельной части, которую можно сравнить с кусочком паззла. Иммуноглобулины непрерывно циркулируют в крови, поджидая такую молекулу-антиген, которая подошла бы к их вариабельной части, как один элемент паззла подходит к другому. Тогда это антитело дает сигнал иммунной системе и запускает сложный и длинный каскад иммунных реакций, в результате которых в организме появляется множество копий прореагировавшего антитела.
В более практическом применении это означает, что интересующее нас вещество можно впрыснуть в мышь или кролика, и через некоторое время у них в крови появится много антител – специфических молекул, которые всегда будут избирательно связываться именно с молекулами этого вещества. Ну а можно не мучить животину, и все это сделать в пробирке — например, по технологии моноклональных антител.
Вторую задачу решают уже инженеры, и возможных способов тут – немало. Один из очевидных путей – приспособить для этих целей электричество. Хеморезистивные биосенсоры реагируют на изменение сопротивления, которое случается при присоединении молекулы анализируемого вещества к биосенсору. Такие устройства имеют ряд важных достоинств: быстро и избирательно реагируют, недорого стоят, портативны и надежны. В качестве проводника в таких сенсорах удобно использовать электропроводящие полимеры. Они хороши по своим механическим свойствам (гибкие, но прочные), они недороги и, кроме того, к ним можно химически присоединить молекулы-анализаторы. На рисунке 1 изображена принципиальная схема такого типа сенсоров.
Чувствительность такого материала можно повысить, если наделить его максимально большой поверхностью, и тогда на нем поместится больше молекул-анализаторов. Один из возможных вариантов на этом пути – сформировать из электропроводящих полимеров наноструктуры – «ленты», «стержни», «нити». Это современно, но достаточно сложно технически, и поэтому – дорого. В описываемой статье предложен более простой путь – с помощью технологии «электропрядения» (e-spun) сделать волокна из непроводящего материала, а затем покрыть его электропроводным полимером. А уже к полимеру через активные группы «пришить» молекулы-сенсоры — примерно так, как показано на рисунке 2. Тогда при образовании связи «сенсор-мишень» изменится сопротивление токопроводящего полимера, и это можно будет зафиксировать специально обученным прибором. PROFIT, как пишут в таком случае на некоторых сайтах
В итоге прибор выглядит примерно так:
К чему это может привести?
В качестве сенсора исследователи использовали молекулу белка авидина, а в качестве сигнала – молекулы биотина. Биотин, между нами говоря, витамин группы В и достаточно распространен: мало того, что он содержится почти во всех продуктах, так еще и наша кишечная микрофлора подкармливает организм этим соединением. Поэтому определять количество биотина в пище – дело весьма непрактичное. Но модель «биотин-авидин» удобна, поскольку эти вещества обладают очень высоким сродством друг к другу. Белок авидин обнаружили в курином яйце, и в честь него же и назвали: ovo в переводе с латыни – яйцо. Этот белок – один из рубежей защиты содержимого яйца от бактерий. Он очень избирательно связывает витамин биотин, оставляя бактерий на голодном пайке. Как следствие – бактерии теряют способность расти и размножаться.
Поэтому авторы подчеркивают, что их система – лишь модель, на которой они отработали архитектуру такого типа биосенсоров. Для применения на практике авидин заменят другие молекулы-сенсоры, очевидно – уже упомянутые нами антитела.
Что интересно, работа была поддержана Армией США – через Институт военных нанотехнологий (US Army, Institute of Soldier Nanotecnology). Возможно, совсем скоро с помощью таких или подобных конструкций строгие американские сержанты будут контролировать качество ланчей военнослужащих. Современные технологии – на марше, в самом буквальном значении слова.
Для чего это все надо?
«Отведай ты из моего кубка»
х/ф «Иван Васильевич меняет профессию»
Человеку в базовой комплектации положено 5 видов чувств. Этого вполне достаточно, чтобы выследить мамонта или услышать, как хрустнула ветка под лапой саблезубого тигра. Сегодня городской житель видит тигра лишь в зоопарке, а мамонта, буде таковой отыщется, ему подадут готового к употреблению, уже под соусом. Опасности измельчали – в размерах, но не в масштабе. Сегодня людей пугают вирусы и бактерии, взрывчатка и наркотики, токсины и тяжелые металлы. Каждый хотел бы знать, сколько элементов таблицы Менделеева вместила его тарелка супа или что в карманах у вон того подозрительного бородатого человека. «Химическое зрение» — вот чего сегодня не хватает современному человеку в его продолжающейся борьбе за выживание.
Биосенсоры как раз можно назвать органами условного «химического зрения». В отличие от традиционных методов химического анализа, биосенсоры могут быть не очень точны (как не точен наш глазомер по сравнению с приборным измерением), могут быть не полны (как и мы не слышим звуковые волны во всех их диапазоне). Но они обязательно должны быть быстрыми, удобными и дешевыми, потому что базовая комплектация у нас все та же, а все что сверх – надо докупать за свои кровные.
Как это работает?
«…в 1907 году в Либавском военном порту появились странные матросы. После побудки, молитвы и завтрака они уходили из казармы, неся клетки с белыми мышами. Лишь посвященные знали это идут на свои таинственные корабли подводники. А мыши им нужны для того, чтобы определить по поведению зверьков загрязненность воздуха в отсеках. Ведь лодка уходила под воду с тем запасом кислорода, какой содержался в отсеках. И только.»
«Из бездны вод: Летопись отечественного подводного флота в мемуарах подводников», 1990 год
Принцип действия биосенсоров достаточно прост. Представим, что нам нужно обнаружить в воде или воздухе какое-либо вещество, и мы заведомо знаем, что его не должно быть очень много. То есть это вещество рассеяно по всему объему в виде отдельных молекул, и каждая из них имеет одну и ту же структуру и пространственную геометрию. Чтобы уловить такой крошечный объект, как молекула, понадобится инструмент не менее миниатюрный – то есть, скорее всего, какая-нибудь другая молекула. Найти такую молекулу – задача номер один. Кроме того, если молекула-сенсор прореагирует с молекулой-мишенью, система должна подать сигнал – причем сигнал, который можно легко зафиксировать. Создать систему, максимально чуткую к малейшим концентрациям определяемого вещества – задача номер два.
Первую задачу, к счастью, уже решила природа. Наш организм (как и организм любого другого млекопитающего) отлично умеет распознавать чужеродные молекулы – например, белки или сахара. Всех их оптом в этом случае называют антигенами. Их появление обычно означает начало бактериального или вирусного заражения. Узнают их антитела, специальные белковые молекулы класса иммуноглобулинов. Еще во время развития эмбриона человеческий организм создает около 10 тысяч вариантов антител, чуть-чуть отличающихся друг от друга строением вариабельной части, которую можно сравнить с кусочком паззла. Иммуноглобулины непрерывно циркулируют в крови, поджидая такую молекулу-антиген, которая подошла бы к их вариабельной части, как один элемент паззла подходит к другому. Тогда это антитело дает сигнал иммунной системе и запускает сложный и длинный каскад иммунных реакций, в результате которых в организме появляется множество копий прореагировавшего антитела.
В более практическом применении это означает, что интересующее нас вещество можно впрыснуть в мышь или кролика, и через некоторое время у них в крови появится много антител – специфических молекул, которые всегда будут избирательно связываться именно с молекулами этого вещества. Ну а можно не мучить животину, и все это сделать в пробирке — например, по технологии моноклональных антител.
Вторую задачу решают уже инженеры, и возможных способов тут – немало. Один из очевидных путей – приспособить для этих целей электричество. Хеморезистивные биосенсоры реагируют на изменение сопротивления, которое случается при присоединении молекулы анализируемого вещества к биосенсору. Такие устройства имеют ряд важных достоинств: быстро и избирательно реагируют, недорого стоят, портативны и надежны. В качестве проводника в таких сенсорах удобно использовать электропроводящие полимеры. Они хороши по своим механическим свойствам (гибкие, но прочные), они недороги и, кроме того, к ним можно химически присоединить молекулы-анализаторы. На рисунке 1 изображена принципиальная схема такого типа сенсоров.
Чувствительность такого материала можно повысить, если наделить его максимально большой поверхностью, и тогда на нем поместится больше молекул-анализаторов. Один из возможных вариантов на этом пути – сформировать из электропроводящих полимеров наноструктуры – «ленты», «стержни», «нити». Это современно, но достаточно сложно технически, и поэтому – дорого. В описываемой статье предложен более простой путь – с помощью технологии «электропрядения» (e-spun) сделать волокна из непроводящего материала, а затем покрыть его электропроводным полимером. А уже к полимеру через активные группы «пришить» молекулы-сенсоры — примерно так, как показано на рисунке 2. Тогда при образовании связи «сенсор-мишень» изменится сопротивление токопроводящего полимера, и это можно будет зафиксировать специально обученным прибором. PROFIT, как пишут в таком случае на некоторых сайтах
В итоге прибор выглядит примерно так:
К чему это может привести?
«Врешь, НАТОвская морда, не может солдат съесть два мешка брюквы!»
Бородатый анекдот.
В качестве сенсора исследователи использовали молекулу белка авидина, а в качестве сигнала – молекулы биотина. Биотин, между нами говоря, витамин группы В и достаточно распространен: мало того, что он содержится почти во всех продуктах, так еще и наша кишечная микрофлора подкармливает организм этим соединением. Поэтому определять количество биотина в пище – дело весьма непрактичное. Но модель «биотин-авидин» удобна, поскольку эти вещества обладают очень высоким сродством друг к другу. Белок авидин обнаружили в курином яйце, и в честь него же и назвали: ovo в переводе с латыни – яйцо. Этот белок – один из рубежей защиты содержимого яйца от бактерий. Он очень избирательно связывает витамин биотин, оставляя бактерий на голодном пайке. Как следствие – бактерии теряют способность расти и размножаться.
Поэтому авторы подчеркивают, что их система – лишь модель, на которой они отработали архитектуру такого типа биосенсоров. Для применения на практике авидин заменят другие молекулы-сенсоры, очевидно – уже упомянутые нами антитела.
Что интересно, работа была поддержана Армией США – через Институт военных нанотехнологий (US Army, Institute of Soldier Nanotecnology). Возможно, совсем скоро с помощью таких или подобных конструкций строгие американские сержанты будут контролировать качество ланчей военнослужащих. Современные технологии – на марше, в самом буквальном значении слова.
