Organizmalarımızın molekülleri sürekli olarak birbirleriyle iletişim halindedir. Bu moleküllerden bazıları yaraların iyileşme hızını, kanser tedavisinin etkinliğini veya bir virüs enfeksiyonunun varlığını ortaya çıkarabilecek biyokimyasal bir parmak izi sunar. Bu sinyalleri büyük bir hassasiyetle gerçek zamanlı olarak tespit edebilirsek, sağlık sorunlarını daha erken tespit edebilir ve hatta hastalığın ilerleyişini takip edebiliriz.
Northwestern Üniversitesi’nden araştırmacılar şimdi vücudumuzun iç bünyesinde gerçekleştirilen iletişimi kolaylaştıran yeni bir cihaz geliştirdi.
Transistörlerin Biyokimyasal Algılama Yöntemlerinde Kullanılması
Vücut tarafından gönderilen kimyasal sinyaller son derece zayıftır, ancak araştırmacılar sinyalleri 1.000 kattan fazla büyüten yeni bir teknik yarattılar. Elektroniğin temel bileşeni olan transistör, zayıf uyarıları güçlendirebilir ve güçlendirilmiş bir çıktı üretebilir. Yeni yöntemle sinyaller, karmaşık ya da büyük elektronikler kullanılmadan daha kolay tespit edilebiliyor.
Yeni yöntem, zayıf biyokimyasal sinyallerin güçlendirilmesini sağlayarak modern tıbbı gerçek zamanlı, yerinde hastalık takibine bir adım daha yaklaştırıyor.
Çalışmanın başyazarı Northwestern Üniversitesi’nden Jonathan Rivnay’e göre, “Vücuttaki biyokimyasal sinyalleri doğru bir şekilde ölçebilirsek, bu sensörleri az yer kaplayan, daha az yük getiren ve pahalı elektronikler gerektirmeyen giyilebilir teknolojilere veya implantlara dahil edebiliriz.”
Ancak yüksek kaliteli sinyalleri almak hala zor. Bu sinyalleri nasıl artıracağınızı bulmanız gerekiyor çünkü vücutta sınırlı miktarda elektrik ve alan var.
Rivnay, Northwestern Üniversitesi McCormick Mühendislik Okulu’nda biyoloji mühendisliği dersleri veriyor. Makalenin ilk yazarı, Rivnay’in grubunda doktora sonrası araştırmacı olan Xudong Ji.
Birçok kimyasal sensör, teşhis ve tedavileri yönlendirme potansiyeline sahip önemli bilgiler iletmelerine rağmen zayıf sinyaller üretir. Gerçekte, tıp uzmanlarının bu sinyalleri yorumlamak için sıklıkla bir numune (kan, ter veya tükürük) almaları ve bunu sofistike laboratuvar makinelerinden geçirmeleri gerekir. Bu teknoloji genellikle pahalıdır ve hatta tesis dışında olabilir. Ayrıca, sonuçların ortaya çıkması acı verici derecede uzun zaman alabilir.
Rivnay’in ekibinin amacı, bu tespit edilemeyen sinyalleri vücuttan hiç ayrılmadan tespit etmek ve güçlendirmektir.
Diğer akademisyenler, belirli hedeflere bağlanmak üzere tasarlanmış tek DNA aptamerleri kullanarak biyoalgılama elektrokimyasal sensörlerini araştırdılar. Aptamerler, ilgilenilen bir hedefe etkili bir şekilde bağlandıktan sonra yeni bir yapıya katlanarak elektronik bir anahtar işlevi görür ve bu da elektrokimyasal bir sinyalin üretilmesine neden olur. Ancak aptamerler tek başlarına kullanıldıklarında, testler kontrollü ve mükemmel bir ortamda yapılmadığı takdirde sıklıkla gürültü ve bozulmaya karşı son derece hassas olan zayıf sinyaller üretirler.
Aptamer Nedir?
Andy Ellington “Aptamer” kelimesini buldu. Latince uygun anlamına gelen “aptus” ve parça anlamına gelen “meros” kelimelerinin atasıdır. Aptamerler, proteinler, peptitler, karbonhidratlar, küçük moleküller, toksinler ve hatta canlı hücreler dahil olmak üzere çeşitli hedeflere bağlanma yeteneğine sahip kısa, tek sarmallı DNA veya RNA (ssDNA veya ssRNA) molekülleridir. Tek sarmallı döngüler ve sarmallar oluşturma eğilimleri nedeniyle aptamerler çeşitli şekillerde olabilirler. Geniş bir uygulama yelpazesine sahiptirler ve belirli hedefler için güçlü bir afiniteye sahiptirler. Bir aptamerin üçüncül yapısı, ana dizisini değil, bağlanmasını yönetir. Hedef tanıma ve bağlanma, hidrofobik etkileşimler, baz istifleme, interkalasyon, üç boyutlu, şekle bağlı etkileşimler gerektirir. Aptamerler hedeflerine bağlanırlar çünkü onlara “uyarlar”.
Rivnay’in ekibi bu sorunu aşmak için, geleneksel elektrot tabanlı bir sensöre yükseltici bir bileşen eklemenin yanı sıra zayıf biyokimyasal sinyali algılayabilen ve geliştirebilen yeni bir mimariye sahip elektrokimyasal transistör tabanlı bir sensör yarattı. Bu yeni cihazdaki elektrot bir sinyali tespit etmek için kullanılıyor, ancak bitişikteki transistör yalnızca amplifikasyondan sorumlu. Güçlendirilmiş impulsların kararlılığını ve güvenilirliğini artırmak için araştırmacılar ayrıca dahili bir ince film referans elektrodu da ekledi.
Elektrokimyasal Yöntemlerin Kullanılması
Ji, “Transistörün yerel amplifikasyon kapasitesini, kanıtlanmış elektrokimyasal yöntemlerden elde ettiğiniz referanslama ile birleştiriyoruz. Bu, her iki dünyanın da en iyisi çünkü aptamer bağlanmasını istikrarlı ve yerel olarak hem ölçebiliyor hem de yükseltebiliyoruz.
Rivnay’in ekibi, yeni teknolojiyi doğrulamak için bağışıklık tepkisi düzenlemesi ve doku onarımı ve yenilenmesinde rol oynayan bir sinyal proteini sınıfı olan yaygın bir sitokin kullandı. Araştırmacılar, yaraya yakın belirli sitokinlerin konsantrasyonunu ölçerek bir yaranın ne kadar hızlı iyileştiğini, yeni bir enfeksiyon olup olmadığını ve ek tıbbi müdahalelerin gerekli olup olmadığını belirleyebilirler.
Rivnay ve meslektaşları, geleneksel elektrot tabanlı aptamer algılama teknikleriyle karşılaştırıldığında, bir dizi deneyde sitokinlerin sinyalini üç ila dört büyüklük mertebesinde artırmayı başardı. Rivnay, sitokin sinyalini algılamak için yapılan testlerde iyi sonuç vermesine rağmen, teknolojinin, algılama şemasının elektrokimyasal raportörler kullandığı antikorlar, hormonlar veya ilaçlar da dahil olmak üzere herhangi bir molekül veya kimyasaldan gelen sinyalleri yükseltebileceğini iddia ediyor.
Rivnay’e göre, “bu yaklaşım genel olarak uygulanabilir ve belirli bir kullanım alanı yok.” Yazar, “Büyük vizyonumuz, konseptimizi bir sorunu hem algılayabilen hem de yanıt verebilen giyilebilir veya implante edilebilir biyosensörlere uygulamaktır” diyor.
Araştırmanın başlığı “Elektrokimyasal aptamer tabanlı algılama için yerinde sinyal yükseltici olarak organik elektrokimyasal transistörler”.
Kaynak: Techxplore – Xudong Ji et al, Organic electrochemical transistors as on-site signal amplifiers for electrochemical aptamer-based sensing, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37402-2
