MIT研發新型碳納米管感測器，首次實現監測單個蛋白質

經過改性處理的碳納米管可以用於追蹤單個細胞產生的蛋白質。

來自麻省理工學院的工程師們最近設計了一種新型感測器，首次實現對由單細胞分泌的單個蛋白質分子的檢測。

研究人員說，這些感測器由經過化學改性的碳納米管組成。對於那些需要檢測微量蛋白質的應用場合，如跟蹤病毒感染，監測細胞合成有用的蛋白質，或檢測食品污染等，這一發明將大有裨益。

麻省理工學院化學工程系教授邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）說：使用這樣的感測器陣列，我們將大海撈針」變成了現實。在現有的分子感測平台內，我們這種碳納米管陣列擁有最高的探測靈敏度。使用者們還可以對它們進行功能定製，以便於觀察與其結合的單分子的隨機波動。」

這篇描述新感測器的論文發表於1月23日的《自然納米技術》雜誌上，斯特拉諾是該文的資深作者。這篇論文的第一作者是曾在麻省理工學院攻讀博士後的馬其塔·蘭德里，他目前是加州大學伯克利分校的助理教授。

其他來自麻省理工學院的作者還包括：科學家安藤廣樹（Hiroki Ando），前研究生陳艾倫（Allen Chen），博士後曹積聰（音譯，jicong Cao）、董菊耀（音譯，Juyao Dong），電氣工程和計算機科學副教授蒂莫西·盧（Timothy Lu）。其他作者還包括來自哈佛大學的維肖·科塔迪爾（Vishal Kottadiel）和加州大學伯克利分校的琳達·喬（Linda Chio）和達爾文·楊（Darwin Yang）。

在此之前，斯塔拉諾的實驗室開發了可以檢測多種不同分子種類的感測器。這些感測器都基於經過改性的碳納米管。碳納米管是由碳構成的圓柱體，其厚度僅有數納米。當激光照射時，碳納米管會自發地發出熒光。為了將納米管變成感測器，斯塔拉諾的實驗室研究人員在碳納米管上塗覆DNA、蛋白質或者其他可以結合特定靶標的分子。當這些分子與靶向結合時，人們能夠觀測到納米管的熒光變化。

在該研究中，研究人員在碳納米管外塗覆了一層稱為適體（aptamer）的DNA鏈。值得注意的是，先前類似的工作無一例外地遭遇了失敗。究其原因，是因為研究人員們難以將適體粘附在碳納米管上的同時，還維持其與靶向結合所需要的空間構型。

而本文作者蘭德里則攻克了這一難關。他在適體中負責連接碳納米管的序列與結合靶向序列之間，添加了一段間隔」序列，從而使得每一部分序列都能自由地執行其功能。研究人員展示了這一感測器能成功地響應名為RAP1的蛋白質，以及HIV1整合酶的病毒蛋白。他們相信，這一手段還能應用於許多其他蛋白質。

為了監測單細胞的蛋白質生產過程，研究人員在顯微鏡載玻片上設置了一系列感測器。當單個細菌，人或酵母細胞置於陣列上時，感測器可以檢測細胞何時分泌靶蛋白的分子。

斯特拉諾評論說，這樣的納米感測器陣列不存在檢測下限，我們可以看到單個分子」。

然而，碳納米管檢測器的極高靈敏度也有一定的代價：分子數量越少，感應它們所需要的時間就越長。斯特拉諾說，隨著分子數量變得越來越稀少，檢測可能需要無限長的時間。

布朗大學工程學教授羅伯特·赫特（Robert Hurt）說，斯特拉諾及其同事的這項新研究，為實現檢測單分子水平的蛋白質提供了一條令人驚喜的新途徑」。羅伯特教授沒有參與這項研究。這項工作推動了單蛋白檢測的最前沿，並可能使得研究人員們得以實時地在單細胞水平觀察到重要的分子活動，如細胞分裂期間的蛋白質釋放。

有用的工具

研究人員介紹說，碳納米管感測器陣列可用於許多不同的應用。

這個平台將為檢測微生物分泌的微量蛋白質開闢一條新路徑」，董博士說。它將推動對生物學領域，對於生成單個信號分子的研究。同時，它還將促進生物製藥行業在監測微生物健康及產物質量方面的投入。

在藥物領域，這些感測器將可用於測試經過生物工程處理過的細胞。這些細胞將可以用於疾病治療。許多研究人員正在研究的一種途徑，就是醫生首先獲取來自患者自身的一個細胞，經過生物工程處理，使之成為治療性蛋白質，然後再將它們植回患者體內。

斯塔拉諾說，我們認為，我們研發的這一感測器的價值在於：能夠對這些珍貴的細胞進行測量，並確保它們以你希望的方式執行功能。」

他說，研究人員還可以使用陣列來研究病毒感染、神經遞質功能等。另外，這一陣列還有助於研究人員更好地理解群體感應的現象，即細菌之間能夠相互通信，使得細菌能夠協調地進行基因表達。