Корейская группа исследователей успешно разработала технологию биосенсора со значительно повышенной молекулярной чувствительностью с использованием искусственной липидной мембраны, имитирующей клеточную мембрану, пишет eurekalert.org.

Исследовательская группа во главе с доктором Йонг-Санг Рю из Института наук о мозге и доктором Чул Ки Ким из Центра исследований сенсорных систем в сотрудничестве с исследовательской группой под руководством профессора Донг Джун Ан с факультета химической и биологической инженерии Корейского университета разработала технологию для повышения молекулярной детектируемости на поверхности потенциометрического полевого транзистора (FET) за счет ионной непроницаемости через липидную мембрану.

FET – это транзистор, который управляет потоком тока на основе принципа приложения напряжения к электроду для создания канала для потока электронов (-) или протонов (+) на основе электрического поля.

Было довольно сложно коммерциализировать основанную на полевых транзисторах технологию молекулярного обнаружения – сенсорную технологию, использующую электрические сигналы, несмотря на ее преимущества в обнаружении различных молекул, таких как вирусы, белки и ДНК. Это в основном связано с ультратонкими диапазонами обнаружения для молекулярного обнаружения при высокой концентрации ионов или электрического заряда раствора аналита.

Например, в одной капле крови эффективный диапазон обнаружения, на котором молекулы могут быть обнаружены с помощью потенциометрического сенсорного зонда, составляет приблизительно 1 нм, что тоньше, чем молекула, подлежащая обнаружению и анализу; следовательно, трудно обнаружить электрический сигнал, даже если молекула входит в контакт с сенсорным зондом. Чтобы преодолеть это препятствие, использовались различные стратегии, такие как разбавление раствора аналита до 100 000 раз для улучшения молекулярного обнаружения; однако использование этих стратегий не увенчалось успехом.

Поэтому исследовательская группа предложила использовать модельную мембрану для преодоления этого препятствия. Клеточная мембрана человека не только контролирует концентрацию ионов во внутренней и внешней среде, но также предотвращает попадание ионов высокой концентрации в клетку. Таким образом, команда сосредоточилась на этой специфической характеристике системы, имитирующей клеточную мембрану. После многократных испытаний нанесения клеточной мембраны на поверхность чипа молекулярного обнаружения на основе полевого транзистора было подтверждено, что обнаружение молекул доступно без дополнительной предварительной обработки даже в ионном растворе с высокой концентрацией.

С помощью этой новой технологии, известной как «FET с мембранным покрытием (липид-FET)», молекулы, взвешенные в высокоионном концентрированном растворе до уровня человеческой крови, могут быть обнаружены с более высокой чувствительностью по сравнению с существующим датчиком и разбавлением решение до 100000 крат не требуется. Было подтверждено, что это самая высокая производительность среди всех FET, о которых сообщалось на данный момент во всем мире.

Исследовательская группа ожидает, что эту технологию можно будет использовать для диагностики различных заболеваний, в частности деменции, но это также платформенная технология с широким применением в качестве биосенсоров в различных областях, включая медицину, здравоохранение и окружающую среду, для обнаружения вирусных инфекций и микропластики.

Доктор Йонг-Санг Рю из KIST представил исследовательское достижение: «Обнаружение молекул с помощью Lipid-FET с ионным контрастом через мембрану может быть мгновенно применено ко всем существующим платформам потенциометрических датчиков, которые используют электрическое поле для обнаружения молекул».

Доктор Чул Ки Ким из KIST также добавил, что «исследования по применению технологии в различных областях исследований, таких как болезни, которые, как известно, вызываются мутировавшими белками, прикрепленными к клеточным мембранам, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и диабет, а также технологии для быстрого и точно обнаруживать крайне небольшое количество инфекционных вирусов, таких как COVID-19 и грипп, проводятся параллельно».

Профессор Донг Джун Ан из Корейского университета надеется, что «эту технологию можно будет расширить, чтобы внести свой вклад в решение социальных проблем и улучшение общего качества жизни человека».