Для ранней диагностики острых заболеваний и эффективного управления хроническими состояниями технология тестирования у постели больного (POCT) — диагностика, проводимая рядом с пациентом, — привлекает внимание во всём мире. Ключ к POCT заключается в ферментах, которые точно распознают и реагируют с определёнными веществами. Однако традиционные природные ферменты дороги и нестабильны, а нанозимы (катализаторы, имитирующие ферменты) страдают от низкой селективности реакций.
Корейская исследовательская группа разработала высокочувствительную сенсорную платформу
Она обеспечивает в 38 раз более высокую селективность, чем существующие нанозимы, и позволяет диагностировать заболевания, видимые невооружённым глазом, всего за три минуты. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.
Профессор Джинву Ли из Департамента химической и биомолекулярной инженерии совместно с командами под руководством профессора Джон У Хань из Сеульского национального университета и профессора Мун Иль Ким из Университета Гачон разработал новый одноатомный катализатор, который селективно выполняет только пероксидазоподобные реакции, сохраняя при этом высокую эффективность реакции.
Использование биологических жидкостей
Эта диагностическая платформа позволяет считывать результаты тестов в течение нескольких минут даже вне больничных условий, значительно улучшая доступность медицинской помощи и обеспечивая своевременное лечение. Ключевым моментом является визуальное обнаружение биомаркеров (индикаторов заболеваний) через изменение цвета, запускаемое ферментными реакциями. Однако природные ферменты дороги и легко разрушаются в диагностических средах, что ограничивает их хранение и распространение.
Для решения этой проблемы были разработаны неорганические нанозимы в качестве заменителей. Однако им обычно не хватает селективности — когда в качестве субстрата используется перекись водорода, тот же катализатор запускает как пероксидазоподобные реакции (которые вызывают изменение цвета), так и каталазоподобные реакции (которые удаляют субстрат), снижая точность диагностического сигнала.
Контроль селективности катализатора на атомном уровне
Исследователи использовали инновационный структурный дизайн: присоединение хлоридных (Cl) лигандов в трёхмерной конфигурации к центральному атому рутения (Ru), чтобы точно настроить его химические свойства. Это позволило им выделить только желаемый диагностический сигнал.
Экспериментальные результаты показали, что новый катализатор достиг более чем 38-кратного улучшения селективности по сравнению с существующими нанозимами, со значительно повышенной чувствительностью и скоростью обнаружения перекиси водорода. Даже в почти физиологических условиях (pH 6,0) катализатор сохранил свои характеристики, доказав свою применимость в реальной диагностике.
Профессор Джинву Ли из KAIST прокомментировал: «Это исследование имеет большое значение, поскольку одновременно достигается селективность и реактивность на уровне ферментов за счёт структурного проектирования одноатомных катализаторов». Он добавил, что «стратегия проектирования катализаторов на основе структуры и функции может быть распространена на разработку различных катализаторов на основе металлов и других областей реакций, где селективность имеет решающее значение».
Предоставлено:
The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)