חוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה הצליחו לפתח התקן ננו-טכנולוגי המשלב ננו-שפופרות פחמן וחלבונים המהווים קולטני ריח, אותם הרכיבים שבאף האחראים לחישת ריחות.
לנוכח העובדה כי קולטני ריח שייכים למשפחה גדולה יותר של חלבונים המעורבים באותות המועברים דרך קרומית התא, להתקנים אלו יוכלו להיות יישומים שמעבר לחישת ריח, כגון מחקר פרמקולוגי. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי ACS Nano.
צוות המחקר מאוניברסיטת פנסילבניה עבד עם קולטני ריח שמקורם בעכברים, למרות שכל קולטני הריח הם חלק ממשפחת חלבונים הידועה בשם G Protein Coupled Receptors או GPCRs. קולטנים אלו ממוקמים על גבי צדה החיצוני של קרומית התא, שם כימיקלים שונים בסביבתם מסוגלים להיקשר אליהם. פעולת הקישור היא השלב הראשון בשרשרת תגובות כימיות המובילה לתגובה תאית; במקרה של קולטן הריח, שרשרת זו מובילה להפעלתו של חוש הריח.
החוקרים הצליחו לבנות ממשק בין חלבון מורכב זה לבין טרנזיסטור מננו-שפופרת פחמן, מה שמאפשר להם להמיר את האותות הכימיים שהקולטן מייצר באופן רגיל לאותות חשמליים המסוגלים להפעיל מערכות והתקנים אחרים.
“התקני הננוטכנולוגיה שלנו הם מערכות קריאה; הם מצותתים למה שקולטני הריח עושים, במיוחד למולקולות הנקשרות אליהן,” מסביר החוקר. מאחר והחלבונים בהם השתמשו החוקרים היו קולטני ריח, המבחן לפעילות התקן ננו-השפופרת שלהם היה התפקוד שלו כחיישן לכימיקלים הנישאים באוויר. “אם יש דבר מה באטמוספירה היכול להיקשר למולקולה זו, מה שאנו מקבלים מננו- השפופרת היא חיווי האם יש קשירה אם לאו. כלומר, אנו יכולים לקבל קריאה רציפה המצביעה על הריכוז של המולקולה באוויר,” מסביר החוקר.
למרות שניתן לדמיין אוסף של התקני ננו-שפופרות כאלו היוצרות יחדיו אף סינתטי – שכל אחד מהם מתאים לכשלוש מאות וחמישים מקולטני הריח שבאף אנושי, או לאלף המצויים באף של כלב – החוקרים סבורים כי יישומים רפואיים הרבה יותר קרובים למציאות ממה שאנו חושבים.
“חלבונים אלו הם מטרות נפוצות לתרופות,” מסביר החוקר. “מאחר וידוע כי הם חשובים מאוד ביחסי-גומלין של תא-סביבה, הם חשובים מאוד גם בכל הקשור לפתולוגית מחלות. בנוגע לכך, יש בידנו כיום כלי המאפשר לנו לחקור את הפעילות המדויקת של חלבונים אלו. ניתן לדמיין בניה של שבב המכיל מתקנים רבים מסוג זה, כאשר כל אחד מהם מכיל חלבון שונה, וחשיפתם בו-זמנית לתרופות שונות על מנת לבחון מי מהן יעילה בהפעלת תגובה.”
חשיפת סוגי התרופות הנקשרות באופן הטוב ביותר לחלבונים אלו חשובה גם מאחר וגורמים מחוללי מחלות תוקפים בדרך כלל את הקולטנים הללו. ככל שכימיקל בלתי מזיק נקשר טוב יותר לחלבון מוגדר, כך הוא מהווה מעכב טוב יותר למחלה הכרוכה באותו החלבון. צוות החוקרים גם הצליח לבצע התקדמות טכנית בייצוב חלבונים מסוג זה לטובת מחקר עתידי.
“בעבר, אם הוצאת חלבון מהתא והכנסת אותו לתוך התקן, הוא יכול היה לשרוד עד כדי יום אחד. אולם כאן, הצלחנו לעגן אותו לקרומית תא מלאכותית ננומטרית המכונה ננו-דסקה,” מציין החוקר. “כאשר עשינו כך, החלבונים שרדו במשך חודשיים ומחצה במקום במשך יום אחד.”
הארכת תוחלת החיים של התקנים כאלו תוכל להיות בעלת ערך בשני תחום מדעיים קרובים, ואף חופפים לעתים – ננוטכנולוגיה וביולוגיה,” מסביר החוקר. “מכונות מולקולאריות מורכבות אלו הן השיטה העיקרית לתקשורת בין תוך התא לבין הסביבה שמחוצה לו, וכעת אנו בוחנים את הפונקציונאליות שלהן בעזרת ההתקנים הננו-טכנולוגיים שלנו.”
