Израильские ученые придумали самый маленький в мире искусственный нос

Молекулярный нано-нос может найти широкое применение в микробиологии и разработке новых лекарственных средств.

Самый маленький в мире нос состоит из всего одной молекулы. Профессор Давид (Диди) Маргулис​ и его группа исследователей в научном институте имени Вейцмана продемонстрировали искусственные нано-носы, которые работают примерно как настоящие - они могут обнаружить различные молекулы в окружающей их среде и скомбинировать полученную информацию в «запах». Более того, нано-носы могут заниматься этим внутри живой клетки.

Профессор Маргулис, работающий на факультете органической химии института Вейцмана, поясняет, что существующие сегодня искусственные носы устроены как массив электронных сенсоров, каждый из которых покрыт разным материалом, способным связать определенный класс молекул. Аккумуляция данных, собранных сенсорами, рождает представление о "запахе", примерно так же, как наш мозг суммирует сигналы от рецепторов в настоящем носу. Однако устройства такого рода слишком велики по размеру для целого ряда областей потенциального применения, в том числе для клеточной биологии, где все происходит на микроскопическом уровне.    

В ходе исследования, отчет о котором недавно был опубликован в Nature Nanotechnology, Маргулис и его группа создали наноприбор с массивом сенсоров на основе одной молекулы. Это крохотное устройство может связывать множество молекул и сообщать о результатах свечением разными цветами. «Это может нам дать новый инструмент для анализа и сбора данных, к которым мы раньше не имели доступа - о химическом составе микро-сред, например - клеток», - отмечает Маргулис.
 

Сунуть нос в клетку

Для создания своего нано-носа Маргулис и его группа спроектировали сложную молекулу, в которой несколько разных связующих молекул были привязаны к флюоресцентным группам, светящимся разными цветами (то есть с уникальной световой подписью) для каждой комбинации веществ, с которой сталкивается «нос». Это молекулярное устройство многоразового использования и оно может отслеживать динамические процессы, меняя свою световую подпись в соответствии с изменениями исследуемого вещества.

В настоящем исследовании молекулярный «нос» содержит связующие молекулы для трех разных белковых групп, которые выполняют важные функции в клетке и причастны к ряду заболеваний. Они обозначены аббревиатурами GST, MMP и PDGF, и играют роль в том числе и в развитии раковых опухолей. Доктор Лейла Мотей из группы Маргулиса объясняет, что от системы требуется определенная спефицичность, и именно необходимостью таковой продиктовано наличие трех связующий молекул: «В клетке есть множество различных белков, если мы бы не настроили систему для связывания конкретных белковых групп, то имели бы такой же успех, как попытка идентифицировать различные молекулы запахов в мусорном ящике».

Сначала исследователи испытали свой «нос» на образцах нужных им белков из крови и мочи. Затем они перешли к главной задаче: вынюхиванию активности протеинов внутри единичных клеток. «Мы заставили клетки в лаборатории вырабатывать определенные белки и помещали в эти клетки наш молекулярный сенсор. Мы могли идентифицировать световую подпись для каждой из разных клеток» - рассказывает студентка-исследователь Зохар Поде. - «Затем мы наблюдали за этими клетками и меняли окружающую их среду, создавая вызывающие воспаление ситуации или лишая их кислорода. И мы наблюдали, как световая подпись меняется в соответствии с изменениями клеток».

Слева направо: д-р Лейла Мотей, Зоар Поде и проф. Давид Маргулис (фото Института Вейцмана) 

Как отмечает Маргулис, одно из возможных применений молекулярного носа может быть в разработке лекарств. Здесь возможность системы идентифицировать новые ингибиторы будет очень кстати. Кроме того, устройства, подобные тому, что разработала группа, могут быть внедрены в медицинские проверки для ранней диагностики заболеваний, а также могут использоваться и в других областях, помимо биомедицины: «Нам впервые открываются возможности определять различные комбинации химикалий на микроскопическом уровне».

В исследовании принимали участие Рони Пери-Наор, Джосеф Георгсон, доктор Таль Илани с факультета структурной биологии, Владимир Кисс с факультета биомолекулярных наук, доктор Тамар Унгер из израильского структурного центра протеомики и доктор Барак Маркус и доктор Хаим Барр из израильского национального центра персонализированной медицины имени Нэнси и Стефана Гранд.

Исследование профессора Давида Маргулиса поддерживалось центром молекулярного дизайна имени Хелен и Мартина Киммель.

Источник: MFA
Фото: институт Вейцмана