Шея индейки вдохновила ученого на создание биосенсора

Для американцев фаршированная индейка на столе в День благодарения - столь же неотъемлемый атрибут праздника, как, скажем, для русских куличи на Пасху или блины на Масленицу. Возможно, потому, что Сын-Ук Ли (Seung-Wuk Lee), профессор Калифорнийского университета в Беркли, родился и вырос в Азии, конкретно - в Южной Корее, он проявил к индейке не кулинарный, а сугубо научный интерес. "У индюков и индеек на голове и шее имеются характерные кожные образования, именуемые бородавками или кораллами, - рассказывает ученый. - И эти кораллы меняют цвет в зависимости от настроения птицы. Если птица спокойна, они розово-красные, а если возбуждена, то белые или голубоватые. Меня заинтересовал механизм, кроющийся за этим изменением цвета".

Вместо коллагена - материал из вирусов-бактериофагов

Профессор Ли изучил кораллы индейки под микроскопом и обнаружил в них необычные структуры: "На коже индейки расположены миниатюрные жгуты коллагеновых волокон, - говорит ученый. - Речь идет о белковых структурах, измеряемых нанометрами. В зависимости от толщины эти тяжи преломляют свет разной длины волны. Когда птица возбуждается, коллагеновые волокна набухают, делаются толще, или, наоборот, сжимаются, делаются тоньше, и это изменяет окраску кожи по сравнению со спокойным состоянием".

Профессору Ли пришла в голову идея попытаться на основе этого механизма создать колориметрический биосенсор для выявления определенных химических веществ и оценки их концентрации. Однако коллаген в качестве материала для такого биосенсора не годился, поскольку искусственный синтез этого белка связан со значительными трудностями. "По этой причине мы выбрали другой наноматериал со сходными свойствами, но с более гибкими, длинными и толстыми волокнами, - поясняет ученый. - А синтезируем мы этот материал из вирусов-бактериофагов, нами же искусственно созданных методами генной инженерии".

Лакмусовая бумажка нового поколения

Над такими вирусами исследователь работает еще с тех времен, когда он был не профессором Калифорнийского университета в Беркли, а аспирантом Техасского университета в Остине. Ученый использовал вирус, именуемый М13. Его длина - 880 нанометров, диаметр - менее семи нанометров. Регулируя скорость роста на питательном субстрате и применив ряд других приемов, исследователю удалось создать упорядоченную самоорганизующуюся структуру с заданными оптическими свойствами. На соприкосновение с тем или иным органическим веществом эта структура реагирует быстрым набуханием и изменением цвета, то есть практически так же, как жгуты коллагеновых волокон в коже индейки - разумеется, живой, а не фаршированной.

До некоторой степени такой биосенсор напоминает известную всем лакмусовую бумажку. Но если лакмус - это кислотно-основной индикатор с весьма ограниченными возможностями, пригодный только для выявления кислых и щелочных сред, то структуру нового вирусного биосенсора можно генетически модифицировать так, что она будет реагировать на самые разные вещества. Это уже было экспериментально доказано и со взвешенными в воздухе молекулами тротила (тринитротолуола), и с парами метанола и этанола.

От обеспечения безопасности до медицины

Едва соответствующая молекула вступает в контакт с биосенсором, тот сразу меняет цвет. Для того, чтобы оценить результат, сложного оборудования не требуется, вполне достаточно самого обычного смартфона. С помощью его фотокамеры нужно сделать два снимка сенсора - до и после изменения цвета, - а затем специальное приложение сравнивает их, поясняет профессор Ли: "Мы можем проанализировать, как ПЗС-матрица фотокамеры отреагировала на красную, зеленую и синюю цветовые составляющие упавшего на нее света в обоих случаях, и это позволяет нам количественно оценить изменение цвета сенсора. А оно, в свою очередь, отражает концентрацию искомого вещества".

По мнению разработчика, новый биосенсор сможет найти применение в самых разных областях - от обеспечения безопасности до медицины. Например, по содержанию ацетона в воздухе, выдыхаемом больным сахарным диабетом, он позволит судить об уровне глюкозы в крови пациента - без малоприятного и чреватого инфекцией укола в палец.