Международная группа исследователей разработала на основе наноалмазов биосенсор, способный определять содержание железа в крови. Этот сенсор использует дефекты в крохотных алмазах для определения особого протеина, который накапливает железо и который был найден во многих типах живых организмов. Исследователи надеются расширить применение предложенной ими сенсорной технологии и использовать ее для обнаружения других протеинов.
В большинстве живых организмов металла предостаточно, и содержащие железо протеины обнаружены во всем, начиная от одноклеточных микроорганизмов до человеческих существ. У человека железодефицит в большинстве случаев вызывается недостаточным питанием и может привести к анемии, тогда как повышенное содержание железа, возможно, означает наличие острой воспалительной реакции. Поэтому точное измерение содержания железа в крови является весьма важным средством медицинской диагностики.
Точное определение
Однако определение отдельного специфического протеина в биологических образцах является делом весьма нелегким. Современные методы либо включают использование органических маркеров – подкрашенных и флуоресцентных протеинов, – либо квантовых точек. Однако маркеры блекнут после определенного периода использования, тогда как квантовые точки обладают способностью ухудшать состояние проб. Стандартные тесты крови включают в себя обнаружение протеина, известного как ферритин, который несет ответственность за хранение и транспортировку железа и который способен содержать до 4500 магнитных ионов железа. Но при использовании органических красителей и квантовых точек результаты могут быть ненадежными, поскольку они способны косвенным образом влиять на количество железа.
Группа ученых под руководством физика Федора Железко (Fedor Zelezko) из Университета города Ульм в Германии вместе с коллегами из Тайваня разработали метод для определения ферритина с помощью нанометровых алмазов с поврежденной решеткой, известной как дефект азото-замещенной вакансии. Подобного рода дефекты встречаются, когда расположенные по соседству атомы углерода заменены атомами азота, а также пустой решеткой (empty lattice). Такие азото-замещенные вакансии способны обнаружить слабые магнитные поля. И именно их пытались обнаружить исследователи, поскольку каждый направляющийся к ферретину атом создает крохотное магнитное поле, которое обычно сложно измерить.
Специальные места
Железко в интервью интернет-сайту physicswolrd.com подчеркнул, что азото-замещенные вакансии являются очень важными для разработки нового сенсора. Вот почему ученые из Ульма объединили свои усилия с Хуан-Чень Чанем (Huan-Cheng Chang) из Академиа синика (Academia Sinica) в Тайване, специалисты которой облучали доступные на коммерческом рынке наноалмазы с помощью тяжелых ионов для создание азото-замещенных вакансий.
Звездный спектр
В качестве теста, подтверждающего верность выбранного принципа, исследователи использовали наноалмазы для обнаружения образцов очищенного протеина ферритина, а не тех образцов, которые все еще находятся в крови. Для этого Железко и его коллегам нужно было найти способ абсорбции ферритина на поверхности алмаза. Это было сделано с помощью электростатического взаимодействия между наноалмазами и протеином ферритин, в результате которого формируется нековалентная связь между поверхностью алмаза и аминогруппой в протеине. После этого исследователи смогли обнаружить ферритин с помощью «магнитного шума», создаваемого атомами в протеине, постоянно переключающими свои нестабильные магнитные моменты.
«Мы в основном измеряем значения магнитного шума в местах азото-замещенных вакансий», - подчеркивает Железко. Он также отмечает, что в большинстве экспериментов подобный шум может восприниматься как помеха, но в данном случае он имеет решающее значение. «На самом деле, мы определяем не только значение, но также частоту и, следовательно, спектр данного шума», - добавляет Железко. По его мнению, исследователи могут использовать полученные результаты для определения количества атомов, несущих ответственность за этот шум, – чем больше атомов, тем выше частота колебаний. Железко сравнивает используемую технику с астрономией, когда спектр звезды позволяет судить о ее составе и внутренних процессах. «Мы не прикасаемся к железу внутри протеина, а вместо этого измеряем исходящий шум, то есть мы используем бесконтактный метод», - подчеркивает он.
Непосредственное обнаружение
Команда экспертов зафиксировала значительное сокращение вращений в состоянии устойчивости и релаксации азото-замещенных вакансий, причиной которых является присутствие ферритина, – на самом деле, наблюдаемый эффект был достаточно большим для того, чтобы можно было обнаружить одну молекулу ферритина, находящуюся вблизи сенсора. Исследователи также использовали теоретическую модель для обоснования данного метода. Они хотели быть уверенными в том, что измеренные ими сигналы совпадали с присутствием ферритина.
Новые работы показывают, что биосенсоры с использованием азото-замещенных вакансий являются многообещающим развитием благодаря своей биосочетаемости и высокой магнитной чувствительности к условиям внешней среды. Железко считает, что этот метод в ближайшее время будет использоваться непосредственно для определения количества железа в образцах крови, и при этом наноалмазы будут просто размещаться в образцах крови, а затем все составляющие, кроме ферритина, будут вымываться. Еще один метод состоит в образовании микрофлуидальных каналов в алмазах, через которые нужно будет проводить образцы. Он также полагает, что клинические испытания с настоящими образцами крови могут быть легко проведены, особенно благодаря тому факту, что для этого потребуется лишь незначительное количество материала. А пока команда исследователей изучает другие протеины и субстанции в крови, которые могут быть обнаружены с помощью подобного рода сенсоров.
