Tecnologia Científica

Novo sensor imita as funções da membrana celular e pode permitir a triagem de cânceres difíceis de diagnosticar
Inspirando-se em sistemas sensoriais naturais, uma equipe liderada pelo MIT projetou um novo sensor que pode detectar as mesmas moléculas que os receptores celulares naturais podem identificar.
Por Instituto de Tecnologia de Massachusetts - 21/07/2023


Uma equipe liderada pelo MIT projetou um sensor que pode ser implantado para rastrear pacientes em busca de cânceres difíceis de diagnosticar ou tumores metastáticos. O dispositivo se inspira na membrana que envolve todas as células. Crédito: pesquisadores do MIT

Inspirando-se em sistemas sensoriais naturais, uma equipe liderada pelo MIT projetou um novo sensor que pode detectar as mesmas moléculas que os receptores celulares naturais podem identificar.

Em um trabalho que combina várias novas tecnologias, os pesquisadores criaram um protótipo de sensor capaz de detectar uma molécula imune chamada CXCL12, até dezenas ou centenas de partes por bilhão. Este é um primeiro passo importante para o desenvolvimento de um sistema que pode ser usado para realizar exames de rotina para cânceres difíceis de diagnosticar ou tumores metastáticos, ou como um "nariz" eletrônico altamente biomimético, dizem os pesquisadores.

"Nossa esperança é desenvolver um dispositivo simples que permita fazer testes em casa, com alta especificidade e sensibilidade. Quanto mais cedo você detectar o câncer, melhor será o tratamento;

O dispositivo se inspira na membrana que envolve todas as células. Dentro dessas membranas estão milhares de proteínas receptoras que detectam moléculas no ambiente. A equipe do MIT modificou algumas dessas proteínas para que pudessem sobreviver fora da membrana e as ancorou em uma camada de proteínas cristalizadas no topo de uma série de transistores de grafeno. Quando a molécula alvo é detectada em uma amostra, esses transistores retransmitem as informações para um computador ou smartphone.

Esse tipo de sensor pode potencialmente ser adaptado para analisar qualquer fluido corporal, como sangue, lágrimas ou saliva, dizem os pesquisadores, e pode rastrear muitos alvos diferentes simultaneamente, dependendo do tipo de proteína receptora usada.

"Identificamos receptores críticos de sistemas biológicos e os ancoramos em uma interface bioeletrônica, permitindo-nos colher todos esses sinais biológicos e, em seguida, transduzi-los em saídas elétricas que podem ser analisadas e interpretadas por algoritmos de aprendizado de máquina”, diz Rui Qing, ex-cientista de pesquisa do MIT que agora é professor associado da Shanghai Jiao Tong University.

Qing e Mantian Xue Ph.D., são os principais autores do estudo, que aparece na Science Advances . Juntamente com Zhang, Tomás Palacios, diretor do Laboratório de Microssistemas do MIT e professor de engenharia elétrica e ciência da computação, e Uwe Sleytr, professor emérito do Instituto de Bioarquiteturas Sintéticas da Universidade de Recursos Naturais e Ciências da Vida em Viena, são os autores seniores do artigo.

Livre de membranas

A maioria dos sensores de diagnóstico atuais são baseados em anticorpos ou aptâmeros (fitas curtas de DNA ou RNA) que podem capturar uma determinada molécula-alvo de um fluido como o sangue. No entanto, ambas as abordagens têm limitações: os aptâmeros podem ser facilmente decompostos por fluidos corporais e a fabricação de anticorpos para que cada lote seja idêntico pode ser difícil.

Uma abordagem alternativa que os cientistas exploraram é a construção de sensores baseados nas proteínas receptoras encontradas nas membranas celulares, que as células usam para monitorar e responder ao seu ambiente. O genoma humano codifica milhares desses receptores. No entanto, essas proteínas receptoras são difíceis de trabalhar porque, uma vez removidas da membrana celular, elas só mantêm sua estrutura se forem suspensas em um detergente.

Em 2018, Zhang, Qing e outros relataram uma nova maneira de transformar proteínas hidrofóbicas em proteínas solúveis em água, trocando alguns aminoácidos hidrofóbicos por aminoácidos hidrofílicos. Essa abordagem é chamada de código QTY, devido às letras que representam os três aminoácidos hidrofílicos - glutamina, treonina e tirosina - que substituem os aminoácidos hidrofóbicos leucina, isoleucina, valina e fenilalanina.

Esta foto mostra uma configuração de teste. O sensor está à esquerda e está conectado a uma pequena placa de circuito. Uma longa tira conecta isso a uma placa de circuito maior do tamanho de um celular envolta em plástico. Crédito: pesquisadores do MIT
"As pessoas tentam usar receptores para detecção há décadas, mas é um desafio para o uso generalizado porque os receptores precisam de detergente para mantê-los estáveis. A novidade de nossa abordagem é que podemos torná-los solúveis em água e produzi-los em grandes quantidades, de forma barata", diz Zhang.

Zhang e Sleytr, que são colaboradores de longa data, decidiram se unir para tentar anexar versões solúveis em água de proteínas receptoras a uma superfície, usando proteínas bacterianas que Sleytr estudou por muitos anos. Essas proteínas, conhecidas como proteínas da camada S , são encontradas como a camada superficial mais externa do envelope celular em muitos tipos de bactérias e archaea.

Quando as proteínas da camada S são cristalizadas, elas formam arranjos monomoleculares coerentes em uma superfície. Sleytr já havia mostrado que essas proteínas podem ser fundidas com outras proteínas, como anticorpos ou enzimas.

Para este estudo, os pesquisadores, incluindo o cientista sênior Andreas Breitwieser, que também é coautor do artigo, usaram proteínas da camada S para criar uma folha muito densa e imobilizada de uma versão solúvel em água de uma proteína receptora chamada CXCR4. Este receptor se liga a uma molécula alvo chamada CXCL12, que desempenha papéis importantes em várias doenças humanas, incluindo o câncer, e a uma glicoproteína do revestimento do HIV, que é responsável pela entrada do vírus nas células humanas.

"Usamos esses sistemas de camada S para permitir que todas essas moléculas funcionais se liguem a uma superfície em uma matriz monomolecular, em uma distribuição e orientação muito bem definidas", diz Sleytr. "É como um tabuleiro de xadrez onde você pode organizar diferentes peças de maneira muito precisa."

Os pesquisadores chamaram sua tecnologia de detecção de RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

Sensibilidade com biomimética

Essas camadas S cristalizadas podem ser depositadas em praticamente qualquer superfície. Para esta aplicação, os pesquisadores anexaram a camada S a um chip com matrizes de transistores baseadas em grafeno que o laboratório de Palacios havia desenvolvido anteriormente. A espessura atômica única dos transistores de grafeno os torna ideais para o desenvolvimento de detectores altamente sensíveis.

Trabalhando no laboratório de Palacios, Xue adaptou o chip para que pudesse ser revestido com uma camada dupla de proteínas - proteínas da camada S cristalizadas ligadas a proteínas receptoras solúveis em água. Quando uma molécula alvo da amostra se liga a uma proteína receptora, a carga do alvo altera as propriedades elétricas do grafeno de uma forma que pode ser facilmente quantificada e transmitida a um computador ou smartphone conectado ao chip.

"Escolhemos o grafeno como material transdutor porque ele tem excelentes propriedades elétricas, o que significa que pode traduzir melhor esses sinais. Ele tem a maior relação superfície-volume porque é uma folha de átomos de carbono, então cada mudança na superfície, causada pelos eventos de ligação da proteína, se traduz diretamente em todo o volume do material", diz Xue.

O chip do transistor de grafeno pode ser revestido com proteínas receptoras da camada S com uma densidade de 1 trilhão de receptores por centímetro quadrado com orientação para cima. Isso permite que o chip aproveite a sensibilidade máxima oferecida pelas proteínas receptoras, dentro da faixa clinicamente relevante para analitos-alvo em corpos humanos.

O chip array integra mais de 200 dispositivos, fornecendo uma redundância na detecção de sinal que ajuda a garantir medições confiáveis ??mesmo no caso de moléculas raras, como as que podem revelar a presença de um tumor em estágio inicial ou o início da doença de Alzheimer, dizem os pesquisadores.

Graças ao uso do código QTY, é possível modificar proteínas receptoras naturalmente existentes que poderiam ser usadas, dizem os pesquisadores, para gerar uma série de sensores em um único chip para rastrear praticamente qualquer molécula que as células possam detectar. “O que pretendemos é desenvolver a tecnologia básica para possibilitar um futuro dispositivo portátil que possamos integrar com celulares e computadores, para que você possa fazer um teste em casa e saber rapidamente se deve ir ao médico”, diz Qing.


Mais informações: Rui Qing et al, Scalable biomimetic sensing system with membrana receptor dual-monolayer probe and grafene transistor arrays, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1402 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1402

Informações do periódico: Science Advances 

 

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