تُدار الوظائف الحيوية بواسطة مجموعة من المركبات، تُعرف بالمستقلبات. تشارك هذه المركبات في جميع العمليات الطبيعية، بما في ذلك إنتاج الطاقة، وتنظيم نشاط الخلية، والحفاظ على توازن أنظمة الجسم. يوفر رصد هذه الجزيئات رؤى حول بداية العديد من الأمراض ومسارها، والحالة الصحية العامة، والاستجابة للعلاجات، والآلية المعقدة للأنظمة البيولوجية.
ومع ذلك، فإن الطرق الحالية للكشف عن المستقلبات قاصرة. يعتمد معظمها على اختبارات معملية كثيفة الاستهلاك للموارد، والتي توفر فقط لقطات موجزة لعينة واحدة. تقتصر المستشعرات القليلة القادرة على تتبع المستقلبات باستمرار إلى حد كبير على قياس نسبة السكر في الدم.
ربما تغلبت مجموعة بحثية متعددة التخصصات بقيادة معهد كاليفورنيا للأنظمة النانوية (CNSI) في جامعة كاليفورنيا بلوس أنجلوس على هذه القيود. في دراسة نُشرت مؤخرًا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، عرض الباحثون تقنية استشعار تعتمد على العمليات الكيميائية الحيوية الطبيعية، قادرة على قياس العديد من المستقلبات بشكل مستمر وموثوق من مجموعة واسعة من الخيارات في وقت واحد.
قال سام إمامي نجاد، المراسل الرئيسي وأستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب المساعد في كلية UCLA صامويلي للهندسة وعضو CNSI: "لفهم كيفية تأثير المستقلبات على العمليات البيولوجية أو عكس الحالة الصحية، نحتاج إلى مراقبة مجموعات مختلفة من المستقلبات اعتمادًا على اهتمامنا المحدد". "لذلك، كان هدفنا هو تطوير منصة استشعار قابلة للتطبيق على مجموعة واسعة من المستقلبات مع ضمان وظائف موثوقة داخل الجسم - ولهذا استخدمنا عمليات التمثيل الغذائي الطبيعية."
تعتمد المستشعرات على أقطاب كهربائية مصنوعة من أسطوانات صغيرة تُعرف باسم أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. تعمل هذه الأقطاب الكهربائية كمختبرات كيميائية حيوية مصغرة: فهي تستخدم الإنزيمات والجزيئات المساعدة، المعروفة باسم العوامل المساعدة، لإجراء تفاعلات تعكس عمليات التمثيل الغذائي في الجسم. اعتمادًا على المستقلب المستهدف، يكتشف المستشعر هذا المستقلب إما مباشرة أو يحوله أولاً إلى شكل قابل للكشف من خلال سلسلة من التفاعلات الإنزيمية الوسيطة.
يتم التعرف عليها بواسطة إنزيمات تحفز تفاعلات تبادل إلكتروني محددة. عند سطح القطب الكهربائي، تولد هذه التفاعلات تيارًا كهربائيًا يمكن قياسه لتحديد مستوى الأيض. في الوقت نفسه، تعمل إنزيمات أخرى لمنع الإشارات الخاطئة عن طريق تحييد الجزيئات المزعجة - على غرار الطريقة التي تزيل بها الإنزيمات السموم من المواد في أجسامنا.
لأخذ هذه القدرة في الاعتبار، والسماح بتشغيل تفاعلات متعددة بالتتابع وبالتوازي، يطلق فريق البحث على تقنيته اسم "مستشعرات التتابع القائمة على تفاعلات الأيض" أو اختصارًا مستشعرات TMR.
الاعتمادات
شوانبينغ تشنغ وزونغ تشي لي، مختبر إيمامينجاد
