Biologiniai jutikliai – nuo vaistų testavimo iki elektros srovės generavimo

Biologiniai jutikliai yra dažniausiai visai nepastebimi prietaisai, kurie naudojami, pavyzdžiui, nustatant gliukozės kiekį kraujyje, aptinkant įvairias širdies ir kraujagyslių ligas ar onkologinius susirgimus. Todėl nenuostabu, kad susidomėjimas šia sritimi per pastaruosius 10 metų smarkiai išaugo. Vilniaus universiteto Chemijos ir geomokslų fakulteto chemikai taip pat prisideda prie biologinių jutiklių tyrinėjimo ieškodami pažangių būdų, kaip juos taikant aptikti toksinus ir šitaip diagnozuoti bakterijų sukeliamas ligas.

Technologija biologinėms medžiagoms nustatyti

Biologinius jutiklius galima apibūdinti kaip prietaisus, skirtus kiekybiniam arba kokybiniam biologinės medžiagos nustatymui – analitei. Tai gali būti bet kokia biologinė struktūra (pavyzdžiui, baltymas, antigenas, mikroorganizmas ar kt.). Tiriant tokias biologinės kilmės analites labai svarbu, kad jos neprarastų savo aktyvumo. Todėl, siekdami atsižvelgti ir į kuriamo jutiklio struktūrą bei jo sudedamąsias dalis, mokslininkai dažnai renkasi kurti visiškai biologiškai suderinamas sistemas. Tokios sistemos pavyzdys yra dvisluoksnė fosfolipidinė membrana, imituojanti ląstelės plazminės membranos struktūrą.

Pagrindinė ląstelės plazminės membranos sudedamoji dalis yra fosfolipidai, tačiau joje taip pat yra ir įvairių baltymų, cholesterolio ir glikolipidų. Fosfolipidai – tai dipolinės medžiagos, turinčios hidrofilines (vandenį „mylinčias“) galvutes ir hidrofobines (vandens „bijančias“) uodegas. Dėl tokios molekulinės struktūros fosfolipidai vandenyje išsidėsto į dvisluoksnę sferinę struktūrą taip, kad hidrofilinės galvos būna atsuktos į vandenį, o hidrofobinės uodegos – į sferos vidų, sudarydamos vienasluoksnę micelę arba daugiasluoksnę vezikulę (liposomą) (1 pav.).

1 pav. Vezikulės (liposomos) modelis (kairėje) ir micelės modelis (dešinėje). Azucena Gonzalez Gomez, Zeinab Hosseinidoust, „Liposomes for Antibiotic Encapsulation and Delivery“, ACS Infectious Diseases, 2020, Nr. 6 (5), p. 896–908

Vienas tokių mums gerai pažįstamų pavyzdžių yra kosmetikos pramonėje naudojamas micelinis vanduo. Jis labai gerai surenka įvairius nešvarumus nuo paviršių. Šie sferiniai dariniai – micelės yra pasklidusios vandeninėje terpėje, o jų centre yra riebalinė terpė, į kurią lengvai įsiterpia riebalinės kilmės nešvarumai. Tad micelinis vanduo „surenka“ ant veido esančius nešvarumus, kuriuos yra sunku nuplauti tiesiog vandeniu, o tokį veikimo principą galima pritaikyti ne tik riebalinės kilmės, bet ir kitoms medžiagoms aptikti.

Už atradimą – prestižinis apdovanojimas

Dar 1962 m. mokslininkas Paulas Muelleris su bendradarbiais parodė, kad plazminės membranos struktūrą (juodoji lipidinė membrana, angl. black lipid membrane) galima ertmėje suformuoti in vitro 10 mm2, ir ištyrė jos elektrines savybes. Vėliau, 9-ajame dešimtmetyje, siekiant sukurti praktiškesnes membranas, buvo ištirti ir aprašyti savitvarkiai monosluoksniai – dariniai iš organinių molekulių, prikimbantys prie kieto paviršiaus ir ant jo suformuojantys tvarkingą sluoksnį. Dėl labai plačių pritaikymo galimybių modifikuojant paviršius ir kuriant biologinius jutiklius šio atradimo bendraautoriai Jacobas Sagivas, Ralphas G. Nuzzo, Davidas L. Allara ir George‘as M. Whitesidesas 2022 m. buvo apdovanoti prestižine Kavli premija.

Savitvarkiai monosluoksniai mokslui yra svarbūs tuo, kad galima keisti jų sudėtį ir suformuoti mišrų savitvarkį monosluoksnį iš ilgesnių ir trumpesnių molekulių. Parinkus monosluoksnio sudėtį taip, kad ilgagrandės molekulės išsidėstytų ant paviršiaus tolygiai ir pakankamai retai, jie panaudojami kaip inkarai ir suformuojamas prikabintas fosfolipidinis dvisluoksnis (2 pav.). Tokios sandaros membrana yra tinkama imobilizuoti įvairius membraninius baltymus, kurie išlaiko visą savo funkcionalumą ir nepraranda natūralių savybių. Daugelis jos funkcijų veikia taip pat, kaip ir gyvose ląstelėse, taigi laboratorijoje imituojamas gyvos ląstelės veikimas ir ji yra pritaikoma įvairiausiems tyrimams atlikti.

2 pav. Paviršiuje prikabintos fosfolipidinės membranos modelis. Duncan J. McGillivray, Gintaras Valincius, David J. Vanderah, Wilma Febo-Ayala, John T. Woodward, Frank Heinrich, John J. Kasianowicz, Mathias Lösche, „Molecular-scale Structural and Functional Characterization of Sparsely Tethered Bilayer Lipid Membranes“, Biointerphases, 2007, Nr. 2, p. 21–33

Siekiama sukurti jutiklį virusams nustatyti

Apskritai kurdami tokias paviršiuje prikabintas membranas mokslininkai gali tyrinėti ląstelių plazmines membranas, o dėl to ir pačių ląstelių veiklą ir atsakyti į klausimus, kaip keičiant membranos sudėtį galima keisti jos funkcijas. Be to, ištyrus suformuotą paviršiuje prikabintą membraną, galima ją pritaikyti formuojant sistemas, jungiančias biologinės ir ne biologinės kilmės medžiagas. Tai leidžia sukurti sistemas, veikiančias panašiai kaip ir gyvojoje gamtoje randamos sistemos, ir jas geriau pritaikyti žmonių poreikiams tenkinti.

Vienas iš tokio pritaikymo pavydžių – dirbtinio augalo lapo suformavimas ant elektrodo: jis gebėtų surinkti saulės energiją ir ją paversti elektros energija, kurią jau būtų galima panaudoti, pavyzdžiui, ja įkrauti išmaniuosius laikrodžius. Kitas pavyzdys – miniatiūrizuotų žmogaus organų sistemų kūrimas nedidelio ploto (iki kelių cm2) mikrokanalų sistemose. Šios sistemos padeda tirti įvairių vaistų poveikį žmogaus organizmui, neatliekant bandymų su žmonėmis arba gyvūnais.

Be to, Vilniaus universiteto chemikai, pasitelkdami taip suformuotus biologinius jutiklius savo tyrimams, ieško būdų, kaip nustatyti bakterijų arba vabzdžių ir roplių nuoduose esančius toksinus, kurie, patekę į žmogaus ar kito gyvūno organizmą, prisitvirtina prie ląstelių plazminės membranos ir suformuoja porą , taip pažeisdami ląstelės gyvybines funkcijas, tad ląstelė žūsta. Kadangi toksinas membraną pažeidžia fiziškai, galima užfiksuoti membranos laidumo pakitimus naudojant elektrinio laidumo matavimo metodus.

Svarbu ir tai, ant kokio paviršiaus formuojamos fosfolipidinės membranos. Vilniaus universiteto mokslininkams pavyko pasiekti, kad jos būtų formuojamos ant metalinių ar metalo oksidinių paviršių, tokių kaip alavo oksidas, titanas ar aliuminis. Iki šiol daugelis atliktų eksperimentų patvirtino ant auksinio paviršiaus kuriamų biologinių jutiklių jautrumą, tačiau auksas dėl savo kainos yra ne visada paranki medžiaga. Vilniaus universiteto chemikų suformuotos membranos savo savybėmis mažai kuo nusileidžia ant auksinių paviršių suformuotoms membranoms ir netgi pranoksta jas stabilumu, o atliekant tyrimus jos buvo sėkmingai panaudotos toksinui, išskiriamam stafilokokinės infekcijos metu, ir toksinams, randamiems vabzdžių arba gyvačių nuoduose, nustatyti. Be to, minėti metalai yra pigesni už auksą, todėl yra daug patrauklesni siekiant komercinio pritaikymo.

Papildomas metalo oksidinių paviršių privalumas yra tas, kad juos galima pagaminti kaip skaidrius elektrodus. Taigi tokias sistemas būtų galima pritaikyti ne tik biologiniams jutikliams formuoti, bet ir kuriant šviesos energiją sugeriančias sistemas, generuojančias elektros srovę. Remdamiesi savo tyrimų rezultatais, Vilniaus universiteto chemikai toliau ieškos kitų membranos pritaikymo būdų, pavyzdžiui, bandys išsiaiškinti, kaip suformuoti biologiškai suderinamą fermentinį kuro elementą arba imunojutiklį, skirtą SARS-CoV-2 ar kitiems virusams nustatyti.