Zvětšit obrázek

„B“ a „Z“ forma molekuly DNA. Molekula deoxyribonukleové kyseliny, kterou všichni považujeme za nositele dědičné informace, může sloužit i k věcem, ke kterým ji příroda nestvořila. Vědci dokázali využít jejích fyzikálních vlastností a udělali z ní součástku detektoru na zjišťování škodlivin.

Toto je první senzor, který za pomoci  nanotrubek může provádět analýzu na subcelulární úrovni. Také je to poprvé co lze jemné přeskupení biomolekuly přímo na nanotrubce detekovat. Principem detekčního systému je přechod molekuly DNA (deoxyribonukleové kyseliny) z přirozené pravotočivé „B“ formy do alternativní levotočivé „Z“ formy.
Termodynamický děj, který způsobuje toto přepnutí  DNA z jedné formy do jiné, a zase zpět, a který rozhoduje o zastoupení těchto strukturálních forem DNA molekuly, má vliv na to jakou optickou odpověď uhlíková trubka odešle na podnět zvenčí zpět.  

Zvětšit obrázek

Michael Strano, profesor chemie a biomolekulárního inženýrství se svým týmem ukázal cestu k využití nových typů optických senzorů a nanočástic fungujících uvnitř buněk. (Obr: University of Illinois at Urbana-Champaign)

Aby vědci takový senzor vyrobili, museli obalit kouskem DNA dvoušroubovice povrch jednotlivé nanotrubky. Stejně jako když telefonní dvoulinku namotáte kolem tužky, začne se molekula dvoušroubovice DNA při omotávání nanotrubky formovat do určitého tvaru, ten je definován negativním napětím podél hlavního řetězce molekuly.

Když je takto „napružená“ DNA molekula vystavena iontům určitých atomů, například vápníku, rtuti a sodíku, negativní náboj se vyrovná a molekula DNA změní tvar, podobně jako to činí v přirozených podmínkách, kdy také dokáže přejít z B do Z formy. Tento přechod z jedné formy do druhé s sebou nese to, že snižuje plochu povrchu , který DNA na trubce zaujímá. Přeskupením elektronové struktury dojde k posunu a fluorescence nanotrubky, která je za normálních podmínek blízká infračervenému spektru, se posune směrem k záření o nižší energii.

Zvětšit obrázek

Vlevo: Podle počtu navázaných iontů mění molekula DNA svojí konformaci a tím zakrývá větší nebo menší plochu nanotrubky, kolem které je obtočena.
Uprostřed: Síla signálu v oblasti infračerveného spektra určuje v které buňce k jakým koncentracím sledovaného iontu dochází.
Vpravo: Uhlíková nanotrobka je excitována laserem o vlnové dálce 785 nm. Dostanou –li se ionty škodlivé rtuti (znázorněné modrými tečkami) dovnitř buňky, změní se odpověď nanotrubek v podobě odeslaného signálu na nižší energetické hladině.

Rozsah změn v emitování vlnové délky na jiné energetické hladině odpovídá tomu, jak mnoho iontů se v prostředí vyskytuje a jak mnoho se jich na strukturu DNA navázalo. Funguje to tak, že čím více iontů, tím více povrchu nanotrubky je zakryto.  Odstranění iontů z roztoku způsobí přesmeknutí tvaru DNA do původního tvaru. To vrátí emisi fluorescenčního záření na základní (původní) vlnovou délku. Proces je tedy reverzibilní a sonda může měřit koncentraci iontů v prostředí opakovaně.

Vědci již demonstrovali životaschopnost nového principu měření koncentrace iontů na praktických ukázkách. Doložili, že jejich sonda dokáže měřit velmi nízké koncentrace iontů rtuti. Pozoruhodné je, že to umožňuje měřit koncentrace iontů i  ve vzorcích,které jsou matné a neprůhledné tekutiny, jako je krev, stejně jako v živých savčích buňkách a v tkáních. Tedy ve vzorcích, ve kterých optické měření bývá problém, protože tkáně jsou pro optické signály v oblasti běžného viditelného světla těžko prostupné, a nebo dávají falešné odrazy. Signály vysílané nanotrubkami v oblasti blízké infračerveného světla jsou jedinečné a specifické pouze pro tento použitý materiál. To znamená, že naměřené hodnoty nejsou  rušeny přirozenou fluorescencí jiných polymerů vyskytujících se v tělních tkáních.
Povrch nanotrubek, a jeho „zakrývání“ molekulou DNA, tak vytváří detekční systém, který je schopen přesně a rychle určovat přítomnost určitých iontů a to dokonce i uvnitř jednotlivých buněk a v reálném čase.

 Pramen: University of Illinois at Urbana-Champaign.