Fungsi -fungsi penting dari kehidupan kehidupan dengan serangkaian senyawa yang disebut metabolit, yang terlibat dalam setiap proses alami, termasuk produksi energi, mengatur aktivitas sel dan mempertahankan sistem tubuh dalam keseimbangan. Pemantauan molekul -molekul ini menawarkan jendela di awal dan keadaan banyak penyakit, kesehatan umum, respons terhadap pengobatan dan fungsi rumit sistem biologis.
Sensor TMR yang dikembangkan oleh UCLA memungkinkan pemantauan waktu nyata dari berbagai metabolit. Kotak: Gambar spektroskopi menunjukkan molekul dalam elektroda yang meningkatkan reaksi deteksi metabolit. Kredit Gambar: Xuanbing Cheng dan Zongqi Li/Emaminejad Lab
Namun, metode deteksi metabolit saat ini gagal. Sebagian besar didasarkan pada tes laboratorium yang intensif dalam sumber daya yang hanya memberikan snapshot pendek dari sampel yang terisolasi. Beberapa sensor yang dapat melacak metabolit secara terus menerus sebagian besar terbatas pada deteksi gula darah.
Tim peneliti interdisipliner yang dipimpin oleh Nanosystems Institute of California di UCLA, atau CNSI, mungkin telah melampaui batasan ini. Dalam sebuah studi terbaru yang diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional, Para peneliti menunjukkan teknologi sensor berdasarkan proses biokimia alami yang dapat segera dan andal mengukur beberapa metabolit pada saat yang sama dari berbagai pilihan.
“Untuk memahami bagaimana metabolit mempengaruhi proses biologis atau mencerminkan kesehatan, kita perlu memantau berbagai kelompok metabolit berdasarkan minat spesifik kita,” kata penulis utama, Sam Emaminejad, Associate Professor Teknik Listrik dan Komputer di Sekolah Teknik UCLA Samueli dan anggota CNSI. “Oleh karena itu, tujuan kami adalah mengembangkan platform sensor yang dapat diterapkan pada berbagai metabolit sambil menjamin operasi yang dapat diandalkan dalam tubuh, dan untuk itu, kami mengambil keuntungan dari proses metabolisme alami.”
Dia melihat teknologi ini bukan sebagai pengganti metode laboratorium saat ini, seperti spektrometri massa, tetapi sebagai alat pelengkap. Para ilmuwan dapat terus menggunakan spektrometer massa untuk mengidentifikasi senyawa potensial yang menarik dan kemudian menggunakan sensor untuk memantau mereka dalam sistem kehidupan.
Sensor memicu reaksi kimia untuk memperluas menu metabolit yang terdeteksi
Sensor dibangun dalam elektroda yang terbuat dari silinder kecil yang disebut nanotube karbon dinding tunggal. Elektroda ini berfungsi sebagai laboratorium biokimia miniatur, menggunakan enzim tambahan dan molekul yang disebut kofaktor untuk melakukan reaksi yang mencerminkan proses metabolisme tubuh. Bergantung pada metabolit target, sensor mendeteksinya secara langsung atau pertama kali membuatnya menjadi bentuk yang terdeteksi melalui rantai reaksi enzimatik menengah.
Deteksi bekerja melalui enzim yang secara khusus mengkatalisasi reaksi pertukaran elektron. Pada permukaan elektroda, reaksi ini menghasilkan arus listrik yang dapat diukur untuk menentukan tingkat metabolit. Sementara itu, enzim lain bekerja secara paralel untuk menghindari sinyal palsu dengan menetralkan molekul interferensial, serta enzim detoksifikasi zat dalam tubuh kita.
Untuk mencerminkan kemampuan ini untuk menjalankan banyak reaksi secara berurutan dan paralel, tim peneliti menyebut teknologinya “sensor berdasarkan reaksi metabolisme bersama -sama” atau sensor TMR untuk singkatan.
“Dekade penelitian telah memetakan jalur metabolisme alami yang menghubungkan metabolit dengan reaksi enzimatik spesifik,” kata Emaminejad. “By adapting the carefully selected enzymes and cofactors for different functions, our electrodes replicate these complex reactions, allowing a reliable detection of a set of metabolites much broader than conventional sensors. Robustness comes from evolution in itself, enzymes and cofactors, refined on tense tense of the years, are highly sensitive, specific and stable. of museatre of nature and the nature of the wave of Muleo and Sifat dari sifat yang terampil dari sifat dan sifat sifat dan sifat sifat dan sifat gelombang museater dan museatre alam dan sifat alam dan sifat alam.
Sensor enzimatik tradisional terutama adalah satu reaksi satu langkah tanpa kofaktor. Saat menggabungkan kofaktor, sensor TMR dapat secara langsung mendeteksi lebih dari 800 metabolit dan, dengan hanya satu langkah konversi, mencakup lebih dari dua pertiga metabolit tubuh.
“Elektroda TMR memiliki karakteristik khusus tambahan untuk biosensasi kinerja tinggi,” kata Xuanbing Cheng, penulis pertama dari UCLA Postdoctoral Scholar di Emaminejad Laboratorium Bioelektronik Terpadu dan Terpadu.
“Terbuat dari nanotube karbon tunggal -dinding, ia menawarkan area aktif yang besar untuk enzim dan kofaktor kargo. Reaksi terjadi secara efisien pada tegangan rendah, mengurangi reaksi lateral yang tidak diinginkan sambil memaksimalkan kegunaan aktivitas enzimatik. Hal ini memungkinkan kami untuk mencapai pengukuran sinyal untuk sinyal kebisingan untuk rentang yang sangat tinggi dalam rentang lebar.
Dalam serangkaian percobaan, para peneliti menunjukkan kemampuan teknologi untuk terus menerus dan dengan sensitivitas tinggi satu set sampel 12 metabolit penting secara klinis. Tim mengukur metabolit dalam sampel keringat dan air liur pasien yang menerima pengobatan untuk epilepsi dan individu dengan kondisi yang menyerupai komplikasi diabetes. Para peneliti juga mendeteksi metabolit yang berasal dari bakteri usus di otak yang dapat menyebabkan gangguan neurologis jika terakumulasi.
Aplikasi potensial kesehatan, penelitian dan metabolit industri
Kemampuan sensor untuk melacak berbagai metabolit di lingkungan biologis yang berbeda membuka pintu baru untuk kesehatan manusia dan penemuan ilmiah. Mereka dapat mengubah perawatan gangguan metabolisme dan kardiovaskular yang memungkinkan diagnosis dini dan tepat dan mengadaptasi perawatan dengan profil metabolisme unik dari seorang individu. Teknologi juga dapat mengoptimalkan bakat fisik dan kinerja olahraga dengan melacak bagaimana tubuh memetabolisme energi dalam kondisi yang berbeda.
Dalam pengembangan obat, sensor dapat memberikan informasi waktu nyata tentang bagaimana terapi mempengaruhi jalur metabolisme, dari evaluasi obat kanker yang menghalangi pertumbuhan tumor dengan menghambat aktivitas enzimatik hingga pemantauan metabolit bakteri untuk mengoptimalkan antibiotik.
Di luar obat, sensor ini dapat mendukung proses industri dengan menawarkan umpan balik berkelanjutan untuk meningkatkan kinerja dan efisiensi mikroba rekayasa yang digunakan untuk menghasilkan produk farmasi, biofuel, dan produk kimia berharga lainnya.
Di antara banyak kemungkinan, Emaminejad sangat bersemangat tentang potensi teknologi untuk membantu mengungkap koneksi usus-cerebro, perbatasan yang muncul dalam penelitian biomedis. Tim sekarang fokus pada mengadaptasi platformnya untuk menjawab pertanyaan penelitian tanpa respons dan menemukan peluang diagnostik baru.
“Tantangan penting untuk memahami bagaimana usus dan otak mempengaruhi saling menangkap perubahan dari waktu ke waktu,” katanya. “Alat yang melacak metabolit secara terus menerus, alih -alih tergantung pada pengukuran laboratorium individu, dapat membantu mengungkapkan komunikasi dua arah ini. Kami akhirnya diperlengkapi untuk menguji hipotesis penting yang tidak memiliki data utama, yang membantu kami lebih memahami bagaimana aktivitas usus mempengaruhi kesehatan umum, dari mempromosikan peradangan dan mempengaruhi sumur mental -pada pembentukan kemajuan kronis.”
Penulis pertama yang pertama adalah siswa lulus dari UCLA Zongqi Li dan Jialun Zhu dari Laboratorium Emaminejad. Ahli biokimia Stanford, Ronald Davis, adalah penulis yang sesuai. Penulis superior lainnya adalah Hilary Coller, profesor UCLA biologi molekuler, seluler dan pengembangan dan kimia biologis; Anggota CNSI Elaine Hsiao, Associate Profesor UCLA Biologi dan Fisiologi Integratif; Daniel Lu, Profesor UCLA of Neurosurgery; Anggota CNSI Chong Liu, Profesor Kimia dan Biokimia UCLA; Praktisi anak Beck Reyes dan ahli saraf pediatrik Joyce Matsumoto, keduanya dari UCLA Health; dan Pulonologi Pediatrik Stanford Carlos Milla.
Studi ini didanai oleh National Health Institutes, Elisabeth K. Harris Foundation, Louis dan Harold Price Foundation, H&H Evergreen Foundation dan Jonathan dan Susan Dolgen Foundation.
Air mancur: UCLA
