Spinning af silke til sensorer

Silkeorm-kokoner, der sendes af æskefuld fra Japan til et optiklaboratorium på Tufts University, vil møde en anden skæbne end dem, der er på vej til tekstilfabrikker rundt om i verden. I stedet for at blive vævet ind i gardiner eller tøj, vil de stærke proteinfibre, som larver engang har snurret rundt om sig selv, blive brugt til at bygge optiske materialer, der kan tjene som grundlag for sensorer og andre enheder. Bioingeniør Fiorenzo Omenetto, der skaber enhederne, håber i sidste ende at bygge implanterbare, biologisk nedbrydelige sensorer, der kan hjælpe med at overvåge patienters fremskridt efter operationen eller spore kroniske sygdomme som diabetes.

Fiorenzo Omenetto på trapperne til Tufts bioingeniørbygning, hvor han laver silkeoptiske enheder.

Omenetto indså, at silke var godt til mere end skjorter og slips, siger han, da han kom i snak med David Kaplan, lederen af ​​Tufts' biomedicinske ingeniørafdeling, som han deler en gang med. Kaplan forvandler silkeproteiner til cellevenlige stilladser til konstruktion af biologiske væv, herunder hornhindeimplantater. Den stærkeste kendte naturlige fiber, silke, foretrækkes af vævsingeniører, fordi den er mekanisk sej, men nedbrydes uskadeligt inde i kroppen.

Denne historie var en del af vores januar 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Uddannet som fysiker regnede Omenetto med, at hvis silke lavede gode kunstige hornhinder, kunne det også være gode optiske enheder. Som det viser sig, siger han, fungerer de silkeapparater, han laver, såvel som dem, der er lavet af traditionelle optiske materialer som glas og plastik - i nogle tilfælde endda bedre. Og i modsætning til disse materialer behøver silke ikke at blive behandlet ved høje temperaturer eller med skrappe kemikalier.

Det er en af ​​grundene til, at silke er så velegnet til brug i biosensorer: fordi silkeenheder kan fremstilles i et skånsomt miljø, er det muligt at inkorporere yderligere biologiske molekyler (såsom proteiner) i dem, mens de bygges. Disse molekyler tjener som sensorer, der, når de er integreret i silkeenhederne, kan forblive aktive i årevis. I de anordninger, som Omenetto og Kaplan udvikler, binder proteiner indlejret i det optiske materiale sig effektivt til et mål såsom oxygen eller et bakterielt protein; når de gør det, skifter lyset, der transmitteres af sensoren, farve.

Optisk opskrift
Omenettos opskrift begynder med kokoner spundet af silkeormen Bombyx mori. Først, siger han, skærer du kokonen og fjerner ormen – til stor fortrydelse for veganere. Seniorforsker Carmen Preda koger derefter kokonerne i en opløsning, der indeholder saltet natriumcarbonat. Dette hjælper med at opløse sericin, et klistret glykoprotein, der holder kokonerne sammen, men forårsager immunreaktioner hos mennesker. Efter at silkefibrene er tørre, opløses de i en opløsning af lithiumbromid. Når det afkøles, bruger Preda en sprøjte til at fylde det i en dialysepatron. Hun sætter dette i et bæger med vand, som trækker saltet ud.

Det, der er tilbage i patronen, er en klar, viskøs opløsning af det rensede protein silkefibroin. Preda fjerner denne silkesirup fra patronen med en sprøjte og fylder den i en række reagensglas; dette er udgangsmaterialet for Omenettos optiske komponenter. Hvis han vil bruge komponenterne i en biosensor, kan han tilføje et protein, der er målrettet mod et bestemt molekyle - for eksempel iltbindende hæmoglobin - på dette stadium. Du har denne fine vandbaserede løsning, som du kan blande hvad som helst i, siger Omenetto.

Hæmoglobin er et relativt stabilt protein, men silkematerialerne kan også bevare aktiviteten af ​​mindre modstandsdygtige proteiner, såsom enzymer. Som en testcase har Tufts-forskerne lavet silkestrukturer indeholdende et flygtigt peberrodsenzym kaldet peroxidase; glukosesensorer kan inkorporere hexokinase, et enzym, der binder til sukkeret.

Formene, der bruges til at forme silkeproteinopløsningen til optiske enheder, er mønstret med nanoskala-funktioner. Sådanne fine detaljer er vigtige i optik, da lys interagerer bedst med funktioner i en skala, der ikke er større end dens egen bølgelængde - omkring 400 til 700 nanometer i tilfælde af synligt lys. I laboratoriets omgivende lys skinner plastikformenes nanomønstrede områder blødt, som indersiden af ​​en abaloneskal.

En enhed, forskerne har lavet, er et hologram, der viser, at silke har samme alsidighed som andre optiske materialer. Ved laboratoriebænken bruger postdoc Jason Amsden en pipette til at afsætte silkeopløsning på en form ætset med Tufts-logoet. Han efterlader formen på disken ved stuetemperatur i omkring otte timer - længe nok til, at proteinerne kan sætte sig i en fleksibel, uregelmæssig oval, der viser logoet i et tredimensionelt mønster af iriserende pink og blå.

I andre forme rundt omkring i laboratoriet er forskellige typer optiske enheder allerede færdigtørret. Amsden vælger en og piller den forsigtigt af formen ved hjælp af en pincet. Enheden er et gennemsigtigt rødt kort imprægneret med hæmoglobin og mønstret med flere optiske elementer, herunder et diffraktionsgitter, der deler hvidt lys i dets komponentfarver.

Silke sensorer
Kortet fungerer som en simpel iltsensor: lys, der passerer gennem det, ændrer bølgelængden en smule, afhængigt af hvor meget ilt, der er bundet til det indlejrede hæmoglobin. Disse ændringer kan ikke ses med det blotte øje, men kan detekteres af en fotodiode, en chip, der omdanner lys til elektrisk strøm. Når for eksempel en dråbe iltrigt blod placeres på sensoren, trækker hæmoglobinet ilt fra den, og bølgelængden af ​​lys, der registreres af fotodioden, skifter.

Ilt er blot et muligt mål for Omenettos enheder. Gitre med antistoffer og enzymer indlejret i dem kunne fornemme stort set ethvert medicinsk interessant molekyle, det være sig glucose eller en tumormarkør. Og Tufts-forskerne forestiller sig ikke kun laboratoriesensorer, men implanterbare. En applikation Omenetto har udviklet vil være særlig vigtig: silkeoptiske fibre til at transportere lys fra overfladen af ​​huden til de implanterede sensorer og tilbage, så det kan aflæses af en fotodetektor. Sensorerne kunne implanteres under operationer såsom tumorresektioner og derefter bruges til at overvåge patienter for tegn på infektion eller tilbagevendende cancer. Omenetto og Kaplan håber også at integrere sensorerne i fremtidige vævstekniske strukturer, der vil hjælpe læger med at spore, hvor godt et nyt væv bliver inkorporeret i kroppen. Enhederne ville opløses uskadeligt med resten af ​​vævets støttende strukturer.

Fremtidige sensorer, siger Omenetto, vil have design, der fører til mere dramatiske farveændringer, når sensorerne binder sig til deres mål. For at skabe sensorer, der kan aflæses med det blotte øje, hentede han inspiration fra et andet insekt, morfosommerfuglen. Dens glitrende blå farve skyldes ikke pigmenter, men den måde lys interagerer med nanoskala proteinsøjler på vingerne. Ændring af søjlernes struktur eliminerer farven. Omenetto forestiller sig en silkebaseret sensor mønstret med nanoskalastrukturer, der får den til at se blå ud; et målmolekyle, der binder til proteiner i sensoren, vil subtilt ændre nanostrukturerne, hvilket får farven til at ændre sig eller forsvinde. Omenetto siger, at de grundlæggende teknologier til at gøre dette er på plads; det er simpelthen et spørgsmål om at designe de rigtige forme.

skjule