Elektroda na cząstce
Izabela Klauza | 2007-05-29
Czy możliwe jest monitorowanie aż 12 tysięcy molekuł w systemie biologicznym, w tym samym czasie? Jak najbardziej! Stworzenie molekuł z maleńkimi elektrodami, razem tworzącymi czipy, na powierzchni których są przeprowadzane są reakcje (lub nie), w zależności od oddziaływań z innymi molekułami, daje możliwość kontrolowania tego, co dzieje się w komórce. Nowozaprojektowane czipy mogą okazać się użyteczne podczas licznych badań z zakresu biologii molekularnej jak np. procesu łączenia liganda z receptorem.
Projekt został przedstawiony na 211. Narodowym Konferencji Towarzystwa Elektrochemików w Chicago, przez dr Kevin’a Moeller’a - profesora chemii na Washington University w St. Louis (Arts & Science), w maju bieżącego roku.
Receptory wiążą małe cząstki na zasadzie "zamka i klucza", gdzie zamkiem jest receptor, a kluczem cząstka. Dopasowanie może być zarówno pod względem strukturalnym jak i chemicznym (np. przez odpowiednie grupy występujące na powierzchni cząstek, które rozpoznaje receptor). Różnorodność wśród "kluczy" odzwierciedlona jest różnorodnością wśród "zamków" - receptorów.
Wcześniejsze badanie nad receptorami oparte były na zasadzie utworzenia bibliotek cząstek (jest to zrobione na takiej zasadzie jak np. biblioteki cDNA). Bibliotekę tworzy się przez immobilizowanie na płytkach molekuł, które następnie są poddawane działaniu receptorów (przemywanie) po czym odmywa się niezwiązane receptory (te które nie znalazły odpowiedniego „klucza”). Po czym owe związane receptory z molekułami, poddaje się działaniu przeciwciał (odpowiednich dla pożądanych receptorów) znakowanych barwnikiem fluoryzującym. Krok, w którym następuje odmywanie niezwiązanych receptorów, jest dość ryzykowny, bowiem receptory, które nie związały się z molekułą (tą którą powinny) dostatecznie mocno, aby przejść przez ten etap analizy, zostaną utracone. Wprowadzając elektrochemiczne chipy omija się proces przemywania, ale za to wprowadza się do molekuły (cząstki, która wiąże się do receptora) elektrodę, która może być wykorzystana jako monitor podczas oddziaływania cząstka-receptor. To co będzie działo się na elektrodzie, i będzie miało widoczne produkty. Będzie odzwierciedlało to czy (a może nawet i jak) łączy się dany receptor z "kluczem".
Największy problem stanowi budowa takiej cząstki, która będzie miała elektrodę. Co więcej urzeczywistnienie takiego procesu jest jak na razie niemożliwe lub bardzo trudne do wykonania za pomocą współcześnie dostępnych narzędzi. Trudność stanowi przede wszystkim lokalizacja i skala, porównywany przez dr Kevina Moeller’a do idei budowy Muru Chińskiego. Projekt budowli był dopracowany w najdrobniejszym szczególe a konstrukcja nieskomplikowana, natomiast budowa w bardzo trudnych i odległych regionach, stwarzała tzw. problem skali.
Kilka tysięcy elektrod powinno być umieszczonych na cząstkach by mogły one spełniać swoją rolę, to jednak stanowi największą trudność podczas tworzenia czipu. Ponadto kwestią sporną pozostaje typ reakcji, jaka będzie przeprowadzana na pojedynczej elektrodzie, jak zatem zapobiec temu by reagenty jednej reakcji nie przechodziły z elektrody na elektrodę i zakłócały wyniki?
Pionierską odpowiedzią był czip zbudowany z polimeru, gdzie dodany substrat zakotwiczał się tuż ponad elektrodą, następnie zaktywowanie elektrody (zainicjowanie reakcji) prowadzi do zmian konformacyjnych substratu i przekształcenie go w produkt. Po dodaniu do buforu, w jakim przeprowadzana jest owa reakcja, czynnika ograniczającego zapobiega się przechodzeniu reagentów z jednej elektrody na drugą. Przykładową reakcją jaka mogłaby być przeprowadzana na elektrodzie, jest reakcja utleniania Wacker’a:
Reakcja polega na konwersji węglowodorów nienasyconych w keton, za pośrednictwem chlorku palladu (II). Reakcja, która była katalizowana przy pomocy chlorku palladu miała miejsce dokładnie na tej elektrodzie, na której ten reagent był tworzony przy pomocy elektrody. By zapobiec przeniesieniu utworzonego chlorku palladu z elektrody na elektrodę do buforu ponad czipem był dodany czynnik, który niszczył pallad (II) - reakcja była przeprowadzana tylko na tej elektrodzie, na której powinna. Nic nie działo się na pozostałych, nieaktywnych elektrodach.
W elektrochemii istnieje wiele reakcji jakie mogą znaleźć swoje zastosowanie na elektrodach chipowych, czyli każda reakcja która pozwala na zamianę polarności (tak by wynik reakcji (produkt) był zwizualizowany), jak np.: utlenianie-redukcja, przejście kwasu w zasadę, czy zasady w kwas. Zatem każda reakcja może być przeprowadzana na elektrodach i używana na czipach.
Dopracowanie reakcji, jakie mogą być wykorzystanie w technice detekcji receptorów oraz znalezienie odpowiedniego sposobu na stworzenie molekuł z elektrodami wymaga jeszcze sporo czasu, ale niewątpliwie jest to jeden z bardzo obiecujących technik na analizę i monitoring tego co się dzieje w komórce. Elektrochemiczne chipy są wprowadzane do nowego środowiska chemii organicznej, zmieniając sposób tworzenia cząstek przez chemików i biochemików. "Jest to dobra droga do tego, by analizować procesy biologiczne nie ingerując za bardzo w ich środowisko" komentują naukowcy prowadzący badania.
Źródło:
Washington University in St. Louis, z dnia 03.05. 2007
"Technique monitors thousands of molecules simultaneously"