(Phys.org) - Presque tous les processus biologiques impliquent la détection de la présence d'un certain produit chimique. Finement réglé au cours de millions d'années d'évolution, les différents récepteurs du corps sont façonnés pour accepter certains produits chimiques cibles. Quand ils se lient, les récepteurs disent à leurs cellules hôtes de produire des impulsions nerveuses, réguler le métabolisme, défendre le corps contre les envahisseurs, ou une myriade d'autres actions selon la cellule, récepteur, et type chimique.

Maintenant, Les chercheurs de Penn ont créé un capteur chimique artificiel basé sur l'un des récepteurs les plus importants du corps humain, un récepteur essentiel à l'action des analgésiques et des anesthésiques. Dans ces appareils, l'activation des récepteurs produit une réponse électrique plutôt que biochimique, permettant à cette réponse d'être lue par un ordinateur.

En attachant une version modifiée de ce récepteur mu-opioïde à des bandes de graphène, les chercheurs ont montré un moyen de produire en masse des dispositifs qui pourraient être utiles dans le développement de médicaments et une variété de tests de diagnostic.

Leur étude combine les avancées récentes de plusieurs disciplines et laboratoires autour du campus, y compris ceux d'A.T. Charlie Johnson, directeur du Penn's Nano/Bio Interface Center et professeur de physique à Penn Arts &Sciences, Renyu Liu, professeur adjoint d'anesthésiologie à la faculté de médecine Perelman, et Jeffery Saven, professeur de chimie à Penn Arts &Sciences.

Les groupes de Saven et de Liu ont utilisé des techniques informatiques pour reconcevoir le récepteur mu-opioïde afin de le rendre plus facile à utiliser dans la recherche. A l'état naturel, le récepteur n'est pas soluble dans l'eau, rendant impossible de nombreuses techniques expérimentales courantes. Pire, des protéines comme ce récepteur seraient normalement cultivées en masse à l'aide de bactéries génétiquement modifiées, mais des parties du récepteur mu-opioïde naturel sont toxiques pour E. coli utilisé dans cette méthode.

Après que Saven et Liu aient résolu ces problèmes avec le récepteur repensé, ils ont vu que cela pourrait être utile à Johnson, qui avait précédemment publié une étude sur la fixation d'une protéine réceptrice similaire aux nanotubes de carbone. Dans ce cas, la protéine était difficile à cultiver génétiquement, et nécessaire d'inclure des structures biologiques supplémentaires à partir des membranes naturelles des récepteurs afin de rester stable.

La protéine redessinée informatiquement de Saven et Liu, cependant, pourrait être facilement cultivé et attaché directement au graphène, ouvrant la possibilité de produire en masse des dispositifs de biocapteurs qui utilisent ces récepteurs.

"C'est le genre de projet que le campus Penn rend possible, " dit Saven. " Même avec la faculté de médecine de l'autre côté de la rue et le département de physique à proximité, Je ne pense pas que nous serions d'aussi proches collaborateurs sans le soutien du Centre d'interface Nano/Bio."

Avec Saven et Liu fournissant une version du récepteur qui pourrait se lier de manière stable aux feuilles de graphène, L'équipe de Johnson a affiné le processus de fabrication. En commençant par une feuille de graphène d'environ 6 pouces de large sur 12 pouces de long, les chercheurs les ont séparés en rubans d'un pouce de long et d'environ 50 microns de diamètre. Puis, ils ont placé les rubans sur des circuits préfabriqués.

Une fois attaché aux rubans, les récepteurs opioïdes sont capables de produire des changements dans les propriétés électriques du graphène environnant chaque fois qu'ils se lient à leur cible. Ces changements produisent des signaux électriques qui sont transmis à un ordinateur via des électrodes voisines, chaque ensemble représentant un appareil distinct.

"Nous pouvons mesurer chaque appareil individuellement et faire la moyenne des résultats, ce qui réduit considérablement le bruit, " dit Johnson. " Ou vous pourriez imaginer attacher 10 types différents de récepteurs à 20 appareils chacun, tous sur la même puce, si vous vouliez tester plusieurs produits chimiques à la fois."

Dans l'expérience du chercheur, ils ont testé la capacité de leurs appareils à détecter la concentration de naltrexone, un médicament utilisé dans le traitement de la dépendance à l'alcool et aux opioïdes car il se lie aux récepteurs opioïdes naturels qui produisent les effets narcotiques recherchés par les patients et les bloque.

"Il n'est pas clair si les récepteurs des appareils sont aussi sélectifs qu'ils le sont dans le contexte biologique, " Saven dit, "comme ceux sur vos cellules qui peuvent faire la différence entre un agoniste, comme la morphine, et un antagoniste, comme la naltrexone, qui se lie au récepteur mais ne fait rien. En travaillant avec les dispositifs de graphène fonctionnalisés par récepteur, cependant, non seulement pouvons-nous créer de meilleurs outils de diagnostic, mais nous pouvons aussi potentiellement mieux comprendre comment le système bimoléculaire fonctionne réellement dans le corps."

Liu note que de nombreux nouveaux opioïdes ont été développés au cours des siècles, cependant, aucun d'entre eux n'a obtenu d'effets analgésiques puissants sans effets secondaires notoires, y compris la dépendance dévastatrice et la dépression respiratoire.

"Ce nouvel outil pourrait potentiellement aider au développement de nouveaux opioïdes qui minimisent ces effets secondaires, " il dit.

Partout où ces appareils trouvent des applications, ils témoignent de l'utilité potentielle du matériau lauréat du prix Nobel sur lequel ils sont basés.

"Le graphène nous donne un avantage, " Johnson dit, "en ce que son uniformité nous permet de fabriquer 192 appareils sur une puce d'un pouce, Tout en même temps. Il y a encore un certain nombre de choses à régler, mais c'est certainement une voie vers la fabrication de ces appareils en grande quantité."