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Jul 13, 2023

Seide

Forscher der Tufts School of Engineering haben eine Möglichkeit entwickelt, Bakterien, Toxine und gefährliche Chemikalien in der Umwelt mithilfe eines Biopolymersensors zu erkennen, der wie Tinte großflächig gedruckt werden kann

Forscher der Tufts School of Engineering haben eine Möglichkeit entwickelt, Bakterien, Toxine und gefährliche Chemikalien in der Umwelt mithilfe eines Biopolymersensors zu erkennen, der wie Tinte auf eine Vielzahl von Materialien gedruckt werden kann, darunter tragbare Gegenstände wie Handschuhe, Masken oder Alltagsgegenstände Kleidung. Es kann sogar in Drohnen eingebaut werden, um Spuren von SARS-CoV-2 in der Luft zu erfassen, oder es könnte modifiziert werden, um sich an die nächste Bedrohung für die öffentliche Gesundheit anzupassen.

Der Sensor, der auf rechnerisch entwickelten Proteinen und Seidenfibroin basiert, die aus den Kokons des Seidenspinners Bombyx Mori gewonnen werden, kann auch in Filme, Schwämme und Filter eingebettet oder wie Kunststoff geformt werden, um Gefahren in der Luft und im Wasser zu erkennen und zu erkennen Wird verwendet, um Infektionen oder sogar Krebs in unserem Körper zu signalisieren.

Diese Sensoren stellen einen großen Fortschritt im Vergleich zu anderen Ansätzen zur Messung von Krankheitserregern oder Chemikalien in der Umwelt dar, die oft auf biologischen Komponenten basieren, die sich schnell abbauen und eine sorgfältige Lagerung erfordern. Die Sensoren sind auch nicht auf elektronische Komponenten angewiesen, die sich nur schwer in flexible tragbare Materialien integrieren lassen.

Um mehr darüber zu erfahren, interviewte ich zwei der Forscher, Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor für Ingenieurwissenschaften und Direktor des Tufts Silklab, und Giusy Matzeu, einen ehemaligen Forschungsprofessor am Silklab.

„Unsere Sensormethode kann in Echtzeit überwachen, was in der Umgebung passiert. Es kann auch erkennen, was im menschlichen Körper passieren kann, indem es biologische Flüssigkeiten wie Speichel oder Atem auf nicht-invasive Weise überwacht“, sagte Matzeu.

Die aktive Komponente des Biopolymer-Sensors, der von David Baker, Henrietta und Aubrey Davis, Stiftungsprofessor für Biochemie am Institute for Protein Design der University of Washington, entwickelt wurde, ist ein molekularer Schalter, der mithilfe von Techniken der Molekulardynamik und künstlicher Intelligenz entwickelt wurde. Diese molekularen Schalter bestehen aus synthetischen Proteinen, die in einem Käfig wie Schloss und Schlüssel funktionieren und auf einen bestimmten Analyten reagieren.

Wenn ein Virus, ein Toxin oder ein anderes Zielmolekül in die Nähe kommt, bindet es an den Schalter und öffnet den Käfig. Ein weiterer Teil des Schalters – ein molekularer Schlüssel – passt dann in das Schloss und die Kombination bildet ein vollständiges Luciferase-Enzym, ähnlich dem Enzym, das Glühwürmchen und Glühwürmchen zum Leuchten bringt. Die Intensität der Lumineszenz nimmt mit Änderungen der Konzentration des Zielmoleküls – des Analyten – zu.

In der formelleren Sprache ihres Artikels, der in der Ausgabe von Advanced Materials vom 9. Dezember 2022 veröffentlicht wurde: „Bei de novo entwickelten Proteinschaltern wird die Sensorfunktion durch die Synergie zweier entworfener Proteinkomponenten bereitgestellt, dem lucCage und dem lucKey, die das können.“ Wechseln Sie in Gegenwart eines Analyten von einem geschlossenen dunklen Zustand in einen offenen lumineszierenden Zustand. Die resultierende Luciferase-Biolumineszenz ermöglicht eine schnelle, spezifische und empfindliche Auslesung der analytgesteuerten lucCage-lucKey-Schalterassoziation.“

Der molekulare Leuchtschalter ist in eine Mischung natürlich gewonnener Proteine ​​eingebettet, die aus Seidenkokons gewonnen werden und Seidenfibroin genannt werden. Das regenerierte Seidenfibroin (RSF) ist die inaktive Komponente des Biopolymersensors, verfügt jedoch über einzigartige Eigenschaften, einschließlich der Fähigkeit, mit sicheren, wasserbasierten Methoden verarbeitet und hergestellt zu werden, und einer bemerkenswerten Vielseitigkeit bei der Herstellung in verschiedenen Formaten, wie z Filme, Schwämme und Tinten lassen sich mit kommerziellen Druckern problemlos auf Oberflächen übertragen. Darüber hinaus stabilisiert das Seidenfibroin den molekularen Schalter und verlängert seine Haltbarkeit erheblich.

Beschleunigte Alterungstests wurden an Sensorschwämmen und -filmen durchgeführt, die vier Monate lang bei 60 °C (140 °F) gelagert wurden, und ihre Reaktionsfähigkeit wurde nach bestimmten Zeitintervallen analysiert. Über den Zeitraum von vier Monaten blieb die Erfassungsleistung dieser Formate (sowohl Empfindlichkeit als auch Dynamikbereich) erhalten. Darüber hinaus wurde die Stabilität der Schwämme nach einjähriger Lagerung bei Raumtemperatur getestet und es wurde festgestellt, dass sie immer noch reaktionsfähig waren.

„Wenn man den künstlich gestalteten Proteinschalter mit Seide mischt und ihm die Form einer Drohne, einer Tinte, eines Films oder was auch immer gibt, ist es nicht trivial, dass sich das Sensorprotein immer noch auf die gleiche Weise verhält. Und siehe da, das tut es. Seide ist das Vehikel zur Stabilisierung des auf Sensorproteinen basierenden Moleküls, sodass Sie ihm die gewünschte Form geben können“, sagte Omenetto.

Einer der wesentlichen Vorteile dieser Technologie besteht laut Omenetto darin, dass man die Sensorschnittstelle beispielsweise auf tragbaren Gegenständen verteilen und lokalisieren kann.

Wenn Sie nur einen Punkt gemessen haben, beispielsweise die auf Ihrer Schulter aufgezeichnete Variation eines Analyten, ist das ziemlich nutzlos. Aber wenn Sie es über Ihren ganzen Körper verteilen, erhalten Sie einen umfassenden Überblick über die Physiologie Ihres Körpers, und das sind wertvolle Informationen. Man nimmt etwas sehr Einfaches und verteilt es überall, sodass die allgemeinen Informationen, die kollektiven Informationen, aussagekräftige Daten liefern. „Es ist so etwas wie das EKG auf Ihrer Apple Watch. Es ist nicht so gut wie ein EKG, das ein Arzt in einem Krankenhaus aufzeichnet, aber es liefert Ihnen Ihre Grundlinie, Ihre Trends und Ihre Variationen, die sehr nützlich sind“, sagte Omenetto.

Sie stellen eine bestimmte Sensortinte her, indem Sie einen Erkennungs-„Cocktail“ entwickeln, der von den Molekülen abhängt, die Sie in die Mischung auf Seidenbasis geben. Sie fügen Moleküle hinzu, die gezielt auf einen bestimmten Analyten abzielen, und tragen sie dann auf das Substrat auf, bei dem es sich um eine Maske, einen Handschuh, einen Schwamm oder sogar einen Wandteppich handeln kann.

Es gibt eine Bibliothek mit Optionen für verschiedene Analyten. Die Bibliothek stammt aus der Forschung und Entwicklung des Projekts, „…unter Verwendung der Kunst des Institute of Protein Design und der Arbeit von David Baker“, sagte Omenetto. „Sie zielen auf bestimmte Moleküle ab und erstellen mithilfe von Molekulardynamik und künstlicher Intelligenz ein Design, das für diesen Analyten besonders empfindlich ist, und synthetisieren dann ein Molekül, das in der Natur nicht vorkommt.“

Um das Ergebnis abzulesen, besprühen Sie das Substrat, in das das Seidenprotein-Reaktionsmuster eingebettet ist, mit der ungiftigen Chemikalie Furimazin, die die photolumineszierende Reaktion des Erfassungsbereichs aktiviert. Die Auslesung kann mit einer kostengünstigen Digitalkamera und/oder Smartphone-App erfolgen.

In ihrem Artikel in Advanced Materials weisen die Autoren darauf hin, dass die RSF/Protein-Lösung speziell für andere Anwendungen entwickelt werden kann, die sich von den oben genannten unterscheiden. Mithilfe von Elektrospinnen können Sie beispielsweise poröse Materialien für Gesichtsbedeckungen oder Luftfilter herstellen, die gleichzeitig biologische Kontaminationen in Aerosolen überwachen und vor ihnen schützen.

Eine weitere potenzielle Anwendung, die sie untersuchen, ist die nicht-invasive Überwachung von Krebs mithilfe von Biomarkern, die in bestimmten biologischen Flüssigkeiten vorhanden sind. Beispielsweise könnten Brusteinlagen zur Früherkennung von Brustkrebs bei spontanem Ausfluss aus der Brustwarze entwickelt werden.

Eine der wichtigen Erkenntnisse aus dieser Forschung ist, wie Matzeu es ausdrückte: „Es geht darum, dass alle verschiedenen Rollen und Funktionen zusammen ins Spiel kommen – synthetische Biologen, Informatiker, Materialwissenschaftler und der Designer der Schnittstelle.“ Es geht darum, wie verschiedene Disziplinen zusammenkommen können, um ein Endprodukt zu liefern. Es ist ein Zusammenschluss verschiedener Menschen mit unterschiedlichen Fachkenntnissen und Perspektiven, es ist die funktionsübergreifende Synergie von Experten in verschiedenen Bereichen, die ein einzigartiges Sensorwerkzeug entwickeln kann.“

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Herausgeber von Sensor Technology, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Mai-Ausgabe 2023 des Sensor Technology Magazine.

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