Это достижение побьет предыдущий рекорд, установив новый ориентир для наиболее чувствительного предела обнаружения и может значительно продвинуть раннюю диагностику заболеваний. В отличие от современной технологии, которая прикрепляет флуоресцентную молекулу или метку к антигену, чтобы его можно было увидеть, новый процесс обнаруживает антиген без мешающей метки. Стивен Арнольд, профессор прикладной физики университета и член отделения химической и биомолекулярной инженерии Отмера-Джейкобса, опубликовал подробности достижения в Nano Letters, публикации Американского химического общества.
В 2012 году Арнольд и его команда смогли обнаружить в растворе самый маленький из известных РНК-вирусов, MS2, с массой 6 аттограмм.
Теперь, благодаря экспериментальной работе научного сотрудника Венкаты Дантам и бывшего студента Дэвида Кенга, были обнаружены два белка: белок-маркер рака человека, называемый тироглобулин, с массой всего 1 аттограмма, и бычья форма обычного белка плазмы, сывороточный альбумин. , с гораздо меньшей массой 0.11 аттограмма. «Аттограмма — это одна миллионная миллионная миллионной доли грамма, — сказал Арнольд, — и мы считаем, что наш новый предел обнаружения может быть меньше нуля.01 аттограмма."
Эта последняя веха основана на методике, впервые разработанной Арнольдом и его сотрудниками из NYU-Poly и Fordham University. В 2012 году исследователи установили первый размерный рекорд, обработав новый биосенсор плазмонными золотыми нанорецепторами, усилив электрическое поле сенсора и позволив обнаруживать даже самые незначительные сдвиги резонансной частоты. Их план состоял в том, чтобы разработать медицинское диагностическое устройство, способное идентифицировать одну вирусную частицу в месте оказания медицинской помощи, без использования специальных аналитических препаратов.
В то время идея обнаружения одного-единственного белка — феноменально меньшего, чем вирус, — была сформулирована как конечная цель.
«Белки управляют телом», — объяснил Арнольд. «Когда иммунная система сталкивается с вирусом, она выкачивает огромное количество белков антител, и все виды рака генерируют белковые маркеры.
Тест, способный обнаружить единственный белок, был бы самым чувствительным диагностическим тестом, который только можно вообразить."
К удивлению исследователей, исследование их нанорецептора под просвечивающим электронным микроскопом показало, что поверхность его золотой оболочки покрыта случайными неровностями размером примерно с белок.
Компьютерное картографирование и моделирование, созданные Стивеном Холлером, когда-то учеником Арнольда, а ныне доцентом кафедры физики в Фордхэмском университете, показали, что эти неоднородности создают собственное высокореактивное поле локальной чувствительности, простирающееся на несколько нанометров, что расширяет возможности датчика, выходящие далеко за рамки первоначальных предсказаний. «Вирус слишком велик, чтобы его можно было обнаружить с помощью этого поля», — сказал Арнольд. "Белки имеют всего несколько нанометров в поперечнике — именно то, что нужно для регистрации в этом пространстве."
Последствия обнаружения одного белка значительны и могут заложить основу для улучшенной медицинской терапии. Среди других достижений Арнольд и его коллеги утверждают, что способность отслеживать сигнал в реальном времени — фактически засвидетельствовать обнаружение одного белка-маркера болезни и отслеживать его движение — может дать новое понимание того, как белки прикрепляются к антителам.
Арнольд назвал новый метод обнаружения без меток «биосенсором в режиме шепчущей галереи», потому что световые волны в системе напомнили ему о способе, которым голоса отскакивают от шепчущей галереи под куполом церкви Св. Павла в Лондоне. Лазер посылает свет через стекловолокно к детектору. Когда микросфера помещается напротив волокна, световые волны определенной длины проникают в сферу и отражаются внутри нее, создавая провал в свете, который получает детектор.
Когда молекула, такая как маркер рака, цепляется за золотую нанооболочку, прикрепленную к микросфере, резонансная частота микросферы смещается на измеримую величину.
Исследование поддержано грантом Национального научного фонда (NSF).
Этим летом Арнольд приступит к следующему этапу расширения возможностей этих биосенсоров. NSF предоставил ему новый грант в размере 200000 долларов в сотрудничестве с профессором Мичиганского университета Сюйдун Фаном.
Грант будет поддерживать создание мультиплексной матрицы резонаторов с плазмонным усилением, что позволит идентифицировать различные белки в сыворотке крови в течение нескольких минут.