새로운 센서는 세포막 기능을 모방합니다.

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MIT가 이끄는 팀은 자연 감각 시스템에서 영감을 얻어 자연적으로 발생하는 세포 수용체가 식별할 수 있는 것과 동일한 분자를 감지할 수 있는 새로운 센서를 설계했습니다.

여러 가지 새로운 기술을 결합한 연구에서 연구원들은 CXCL12라는 면역 분자를 수십 또는 수백 ppb까지 감지할 수 있는 프로토타입 센서를 만들었습니다. 이는 진단이 어려운 암이나 전이성 종양에 대한 일상적인 검사를 수행하는 데 사용할 수 있는 시스템을 개발하거나 고도로 생체모방하는 전자 "코"로 사용할 수 있는 시스템을 개발하는 데 중요한 첫 번째 단계라고 연구진은 말합니다.

“우리의 희망은 높은 특이성과 민감도로 집에서 테스트할 수 있는 간단한 장치를 개발하는 것입니다. 암을 조기에 발견할수록 치료 효과가 더 좋아집니다. 따라서 암의 조기 진단은 우리가 참여하고 싶은 중요한 영역 중 하나입니다.”라고 MIT 미디어 랩의 주요 연구 과학자인 Shuguang Zhang은 말합니다.

이 장치는 모든 세포를 둘러싸고 있는 막에서 영감을 얻습니다. 그러한 막 안에는 환경의 분자를 감지하는 수천 개의 수용체 단백질이 있습니다. MIT 팀은 이러한 단백질 중 일부를 수정하여 막 외부에서 생존할 수 있도록 하고 이를 그래핀 트랜지스터 배열 위의 결정화된 단백질 층에 고정했습니다. 샘플에서 표적 분자가 검출되면 이 트랜지스터는 해당 정보를 컴퓨터나 스마트폰으로 전달합니다.

이러한 유형의 센서는 잠재적으로 혈액, 눈물, 타액과 같은 체액을 분석하는 데 적합할 수 있으며, 사용되는 수용체 단백질의 유형에 따라 다양한 표적을 동시에 검사할 수 있다고 연구진은 말합니다.

"우리는 생물학적 시스템에서 중요한 수용체를 식별하고 이를 생체전자 인터페이스에 고정하여 모든 생물학적 신호를 수집한 다음 이를 기계 학습 알고리즘으로 분석하고 해석할 수 있는 전기 출력으로 변환할 수 있습니다"라고 전직 연구원인 Rui Qing은 말합니다. MIT 연구 과학자이자 현재 Shanghai Jiao Tong University의 부교수입니다.

Qing과 Mantian Xue PhD '23은 현재 Science Advances에 게재된 연구의 주요 저자입니다. Zhang과 함께 MIT 마이크로시스템 연구소 소장이자 전기공학 및 컴퓨터 과학 교수인 Tomás Palacios, 비엔나 천연자원 및 생명과학 대학 합성 바이오 아키텍처 연구소의 명예 교수인 Uwe Sleytr가 수석 저자입니다. 종이의.

멤브레인이 없음

대부분의 최신 진단 센서는 혈액과 같은 체액에서 특정 표적 분자를 포착할 수 있는 항체 또는 앱타머(DNA 또는 RNA의 짧은 가닥)를 기반으로 합니다. 그러나 이 두 접근 방식에는 모두 한계가 있습니다. 압타머는 체액에 의해 쉽게 분해될 수 있으며 모든 배치가 동일하도록 항체를 제조하는 것은 어려울 수 있습니다.

과학자들이 탐구한 대안적 접근법 중 하나는 세포가 환경을 모니터링하고 반응하는 데 사용하는 세포막에서 발견되는 수용체 단백질을 기반으로 센서를 구축하는 것입니다. 인간 게놈에는 수천 개의 그러한 수용체가 암호화되어 있습니다. 그러나 이러한 수용체 단백질은 일단 세포막에서 제거되면 세제에 부유해야만 구조를 유지하기 때문에 작업하기가 어렵습니다.

2018년에 Zhang, Qing 등은 몇 가지 소수성 아미노산을 친수성 아미노산으로 교체하여 소수성 단백질을 수용성 단백질로 전환하는 새로운 방법을 보고했습니다. 이러한 접근법은 소수성 아미노산인 류신, 이소류신, 발린, 페닐알라닌을 대신하는 세 가지 친수성 아미노산인 글루타민, 트레오닌, 티로신을 나타내는 문자를 따서 QTY 코드라고 합니다.