Spinna silke till sensorer

Silkesmaskskokonger som skickas av boxful från Japan till ett optiklaboratorium vid Tufts University kommer att möta ett annat öde än de som är på väg till textilfabriker runt om i världen. Snarare än att vävas in i gardiner eller kläder, kommer de starka proteinfibrerna som larver en gång snurrade runt sig att användas för att bygga optiska material som kan fungera som bas för sensorer och andra enheter. Bioingenjör Fiorenzo Omenetto, som skapar enheterna, hoppas i slutändan kunna bygga implanterbara, biologiskt nedbrytbara sensorer som kan hjälpa till att övervaka patienternas framsteg efter operationen eller spåra kroniska sjukdomar som diabetes.

Fiorenzo Omenetto på trappan till Tufts bioteknikbyggnad, där han tillverkar silkesoptiska enheter.

Omenetto insåg att siden var bra för mer än skjortor och slipsar, säger han, när han började prata med David Kaplan, chef för Tufts biomedicinska ingenjörsavdelning, som han delar en hall med. Kaplan förvandlar silkesproteiner till cellvänliga byggnadsställningar för konstruktion av biologiska vävnader, inklusive hornhinneimplantat. Den starkaste naturliga fibern som är känd, silke gynnas av vävnadsingenjörer eftersom det är mekaniskt segt men bryts ned ofarligt inuti kroppen.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Omenetto, utbildad till fysiker, tänkte att om silke blev bra konstgjorda hornhinnor, kunde det också bli bra optiska enheter. Som det visar sig, säger han, fungerar silkesapparaterna han tillverkar såväl som de som är gjorda av traditionella optiska material som glas och plast – i vissa fall ännu bättre. Och till skillnad från dessa material behöver silke inte bearbetas vid höga temperaturer eller med starka kemikalier.

Det är en anledning till att silke är så väl lämpat för användning i biosensorer: eftersom silkesenheter kan tillverkas i en skonsam miljö, är det möjligt att införliva ytterligare biologiska molekyler (som proteiner) i dem när de byggs. Dessa molekyler fungerar som sensorer som, när de väl är integrerade i silkesenheterna, kan förbli aktiva i flera år. I enheterna som Omenetto och Kaplan utvecklar binder proteiner inbäddade i det optiska materialet effektivt till ett mål som syre eller ett bakteriellt protein; när de gör det ändrar ljuset som sänds av sensorn färg.

Optiskt recept
Omenettos recept börjar med kokonger spunnna av silkesmasken Bombyx mori. Först, säger han, skär du kokongen och tar bort masken - till veganernas förtret. Senior forskningstekniker Carmen Preda kokar sedan kokongerna i en lösning som innehåller saltet natriumkarbonat. Detta hjälper till att lösa upp sericin, ett klibbigt glykoprotein som håller ihop kokongerna men orsakar immunreaktioner hos människor. Efter att silkesfibrerna torkat löses de i en lösning av litiumbromid. När den svalnar använder Preda en spruta för att ladda den i en dialysampull. Hon lägger detta i en bägare med vatten, som drar ut saltet.

Det som finns kvar i patronen är en klar, trögflytande lösning av det renade proteinet silkesfibroin. Preda tar bort denna silkessirap från patronen med en spruta och laddar den i en rad provrör; detta är utgångsmaterialet för Omenettos optiska komponenter. Om han vill använda komponenterna i en biosensor kan han lägga till ett protein som riktar sig mot en viss molekyl – säg syrebindande hemoglobin – i detta skede. Du har den här fina vattenbaserade lösningen som du kan blanda in vad som helst i, säger Omenetto.

Hemoglobin är ett relativt stabilt protein, men silkesmaterialen kan också bevara aktiviteten hos mindre motståndskraftiga proteiner, såsom enzymer. Som ett testfall har Tufts-forskarna gjort silkestrukturer som innehåller ett flyktigt pepparrotsenzym som kallas peroxidas; glukossensorer kan innehålla hexokinas, ett enzym som binder till sockret.

Formarna som används för att forma silkesproteinlösningen till optiska enheter är mönstrade med nanoskaliga egenskaper. Sådana fina detaljer är viktiga inom optik, eftersom ljus interagerar bäst med egenskaper på en skala som inte är större än sin egen våglängd - cirka 400 till 700 nanometer i fallet med synligt ljus. I labbets omgivande ljus lyser plastformarnas nanomönstrade områden mjukt, som insidan av ett abaloneskal.

En enhet som forskarna har gjort är ett hologram, som visar att siden har samma mångsidighet som andra optiska material. Vid labbbänken använder postdoc Jason Amsden en pipett för att deponera silkeslösning på en form etsad med Tufts-logotypen. Han lämnar formen på bänken i rumstemperatur i cirka åtta timmar – tillräckligt länge för att proteinerna ska stelna till en flexibel, oregelbunden oval som visar logotypen i ett tredimensionellt mönster av skimrande rosa och blått.

I andra formar runt labbet har olika typer av optiska enheter redan torkat klart. Amsden väljer en och drar den försiktigt från formen med en pincett. Enheten är ett genomskinligt rött kort impregnerat med hemoglobin och mönstrat med flera optiska element, inklusive ett diffraktionsgitter som delar upp vitt ljus i dess komponentfärger.

Sidensensorer
Kortet fungerar som en enkel syresensor: ljus som passerar genom det ändrar våglängden något, beroende på hur mycket syre som har bundit sig till det inbäddade hemoglobinet. Dessa förändringar kan inte ses med blotta ögat men kan upptäckas av en fotodiod, ett chip som omvandlar ljus till elektrisk ström. När en droppe syrerikt blod placeras på sensorn, till exempel, drar hemoglobinet in syre från den, och våglängden på ljuset som registreras av fotodioden skiftar.

Syre är bara ett möjligt mål för Omenettos enheter. Gitter med antikroppar och enzymer inbäddade i dem kan känna av nästan vilken medicinskt intressant molekyl som helst, vare sig det är glukos eller en tumörmarkör. Och Tufts-forskarna föreställer sig inte bara labbsensorer utan implanterbara. En applikation Omenetto har utvecklat kommer att vara särskilt viktig: optiska silkesfibrer för att transportera ljus från hudens yta till de implanterade sensorerna och tillbaka, så att det kan avläsas av en fotodetektor. Sensorerna kan implanteras under operationer som tumörresektioner och sedan användas för att övervaka patienter för tecken på infektion eller återkommande cancer. Omenetto och Kaplan hoppas också kunna integrera sensorerna i framtida vävnadstekniska strukturer som skulle hjälpa läkare att spåra hur väl en ny vävnad införlivas i kroppen. Enheterna skulle lösas upp ofarligt med resten av vävnadens stödjande strukturer.

Framtida sensorer, säger Omenetto, kommer att ha design som leder till mer dramatiska färgförändringar när sensorerna binder till sina mål. För att skapa sensorer som kan avläsas med blotta ögat hämtade han inspiration från en annan insekt, morfofjärilen. Dess skimrande blå färg beror inte på pigment utan på hur ljus interagerar med nanoskaliga proteinpelare på dess vingar. Att ändra pelarnas struktur eliminerar färgen. Omenetto föreställer sig en sidenbaserad sensor mönstrad med strukturer i nanoskala som får den att se blå ut; en målmolekyl som binder till proteiner i sensorn skulle subtilt förändra nanostrukturerna, vilket gör att färgen ändras eller försvinner. Omenetto säger att de grundläggande teknologierna för att göra detta är på plats; det handlar helt enkelt om att designa rätt formar.

Dölj