Наночастицы золота определяют белки в следовых количествах

Наночастицы золота, предназначенные для обнаружения внутриклеточных белков и использующие только свет лазера, могут стать простым и высокочувствительным инструментом для мониторинга тромбообразования и других заболеваний. Шотландские ученые показали, что новые частицы могут точно определять в образцах крови биомаркер тромбообразования – белок тромбин.

В конечном итоге исследователи рассчитывают на проведение испытаний, при которых золотые наносенсоры будут вводиться непосредственно в кровь пациента, позволяя проводить измерение концентрации белка простым освещением кожи светом лазера. В ближайшей перспективе метод позволит ученым приступить к изучению взаимодействий белков, например, белков вирусов, происходящих непосредственно в клетке.

Сенсор состоит из кремниевого ядра диаметром 120 нанометров, покрытого тонким слоем золота. На золотой оболочке находятся аптамеры – короткие цепочки нуклеиновых кислот, предназначенные для связывания со специфической молекулярной мишенью. Когда свет лазера падает на аптамер, молекула сначала поглощает свет, а затем снова излучает его с характерным спектром, называемым «рамановским сигналом». Когда аптамер связывается с белком, меняется его конформация и, соответственно, излучаемый спектр. Золотая поверхность сенсора усиливает сигнал, увеличивая изменения в электрическом поле в ответ на свет лазера.

«Частица золота функционирует как своего рода преобразователь света лазера», - говорит химик из Университета Эдинбурга (University of Edinburgh) Колин Кэмпбелл (Colin Campbell), руководивший исследованием. Ученые могут определить уровни нужной им молекулы в растворе, измерив спектральные изменения. Метод дает возможность определять субфемтомолярные (10-12) концентрации тромбина в сыворотке крови.

Работа опубликована в журнале Chemical Communications.

Исследователи утверждают, что их метод может быть адаптирован для определения целого ряда белков, но сначала они сконцентрировали свое внимание на тромбине. В Великобритании, где тромбозы являются причиной 25000 смертей в год,

врачи оценивают риск повышенной свертываемости крови и образования тромба у каждого поступившего в больницу пациента. Используемые сейчас анализы требуют забора крови и многоступенчатого процесса, в котором с белком связывается флуоресцентное антитело. Новый метод сможет обеспечить простой мониторинг пациентов с высоким риском и предотвратить связанные с тромбозом смерти. Вместо однократного измерения колеблющихся уровней тромбина такой анализ позволит обеспечить постоянный мониторинг и оповещение о том, что уровень белка стал опасно высоким.

«Очень важно уметь выявлять белки без использования флуоресцентных маркеров», - говорит директор Центра биомолекулярной нанотехнологии Университета Калифорнии, Беркли (Biomolecular Nanotechnology Center at University of California, Berkeley) Люк Ли (Luke Lee), не принимавший непосредственного участия в данном исследовании. Флуоресцентная маркировка сложна, а сигнал может ослабевать или даже полностью исчезать.

Метод позволяет определять низкие концентрации белков в таком малом объеме крови, как аттолитр (10-18 л). Хотя такая чувствительность не является критичной для определения риска тромбообразования, она важна для мониторинга других заболеваний. Ученые могут записывать измерения, произведенные в различных клеточных органеллах – отдельных внутриклеточных образованиях – а не усредненные данные для клетки в целом. «Это замечательное достижение – определять белок при таких низких концентрациях», - утверждает Ли.

«Мы можем определить, что происходит в клетке в определенный момент времени при вирусной инфекции», - говорит Михаэль Охсенкюн ( Michael Ochsenkuhn), химик из Университета Эдинбурга и один из участников проекта. В настоящее время шотландские ученые используют тот же метод для исследования биомолекулярных взаимодействий при аутоиммунных заболеваниях, а также взаимодействий между клеткой-хозяином и вирусными патогенами.

Кэмпбелл и его коллеги ранее уже показали полную безопасность введения в клетку золотых нанооболочек – они не вызывают гибели клеток и не препятствуют росту новых. Так как золото химически инертно, организм не будет отторгать импланты. Однако существует ряд препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем метод можно будет широко использовать для медицинских исследований.

«Ограничением к подобным разработкам является отсутствие аптамеров, связывающихся со специфическими белками», - говорит химик-аналитик из Университета Наньян (Hanyang University) в Корее Джэбум Чу (Jaebum Choo). «В то время как аптамеры для тромбина хорошо известны, для других белков сейчас существует очень небольшое их количество. Для дальнейшего развития технологии биологи и биохимики должны найти различные виды аптамеров для связывания с нужными белками».

Нанотехнологии в медицине и биологии