Die lebenswichtigen Funktionen werden durch eine Reihe von Verbindungen, sogenannte Metaboliten, angetrieben. Diese sind an allen natürlichen Prozessen beteiligt, darunter an der Energieerzeugung, der Regulierung der Zellaktivität und der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Körpersysteme. Die Beobachtung dieser Moleküle bietet Einblicke in den Beginn und Verlauf vieler Krankheiten, den allgemeinen Gesundheitszustand, das Ansprechen auf Behandlungen und die komplexe Funktionsweise biologischer Systeme.
Die heutigen Methoden zur Metabolitenerkennung greifen jedoch zu kurz. Die meisten basieren auf ressourcenintensiven Labortests, die lediglich kurze Momentaufnahmen einzelner Proben liefern. Die wenigen Sensoren, die Metaboliten kontinuierlich verfolgen können, sind weitgehend auf die Blutzuckermessung beschränkt.
Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung des California NanoSystems Institute (CNSI) an der UCLA hat diese Einschränkungen möglicherweise überwunden. In einer kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie demonstrierten die Forscher eine auf natürlichen biochemischen Prozessen basierende Sensortechnologie, die in der Lage ist, mehrere Metaboliten aus einer Vielzahl von Optionen gleichzeitig kontinuierlich und zuverlässig zu messen.
„Um zu verstehen, wie Metaboliten biologische Prozesse beeinflussen oder den Gesundheitszustand widerspiegeln, müssen wir je nach unserem spezifischen Interesse verschiedene Metabolitengruppen überwachen“, sagte der leitende Korrespondent Sam Emaminejad, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der UCLA Samueli School of Engineering und CNSI-Mitglied. „Unser Ziel war es daher, eine Sensorplattform zu entwickeln, die auf ein breites Spektrum von Metaboliten anwendbar ist und gleichzeitig eine zuverlässige Funktion im Körper gewährleistet – und dafür haben wir natürliche Stoffwechselprozesse genutzt.“
Die Sensoren sind auf Elektroden aus winzigen Zylindern, sogenannten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, aufgebaut. Diese Elektroden funktionieren wie Miniatur-Biochemielabore: Sie nutzen Enzyme und Hilfsmoleküle, sogenannte Kofaktoren, um Reaktionen durchzuführen, die die Stoffwechselprozesse des Körpers widerspiegeln. Je nach Zielmetabolit erkennen die Sensoren diesen entweder direkt oder wandeln ihn zunächst durch eine Kette enzymatischer Zwischenreaktionen in eine nachweisbare Form um.
La detección se realiza a través de enzimas que catalizan específicamente reacciones de intercambio de electrones. En la superficie del electrodo, estas reacciones generan una corriente eléctrica que puede medirse para determinar el nivel de metabolitos. Al mismo tiempo, otras enzimas trabajan para evitar señales erróneas neutralizando moléculas disruptivas, de forma similar a como las enzimas desintoxican sustancias en nuestro cuerpo.
Para tener en cuenta esta capacidad de ejecutar varias reacciones de forma secuencial y paralela, el equipo de investigación denomina a su tecnología «sensores tándem basados en reacciones metabólicas» o, en resumen, sensores TMR.
Créditos
Xuanbing Cheng y Zongqi LiEmaminejad Lab
