Ученым из Гейдельбергского университета в сотрудничестве с исследователями из Университета Гисена впервые удалось электрохимически обнаружить связывание белка с полупроводниковыми материалами благодаря недавно разработанному методу исследования, основанному на различиях в электрическом заряде. Теперь физики работают над оптическим процессом для обнаружения и локализации связывания белков непосредственно под микроскопом, например, над методом, который мог бы запустить новые приложения в медицинских исследованиях и диагностике.
Основой для электрохимического обнаружения связывания белков являются изготовленные в лаборатории биологические мембраны, состоящие из так называемых липидных монослоев на подложке - двумерных молекулярных структур, которые являются важными строительными блоками клеточных мембран. Исследователи нанесли эти мембраны на наноструктуры из полупроводникового нитрида галлия (GaN), известного своей химической и электрохимической стабильностью, а также уникальными оптоэлектронными свойствами. Затем ученые впервые смогли обнаружить связывание белка с гибридной биомембранной структурой GaN с помощью датчика электрохимического заряда. Датчик измеряет разницу зарядов, возникающую при связывании белков с так называемыми липидными якорями мембраны. Разработка гибридной структуры биомембрана-GaN основана на работе Натальи Френкель, аспиранта исследовательской группы по физической химии биосистем, возглавляемой профессором доктором Мотому Танака в Институте физической химии Гейдельбергского университета. Для разработки датчика исследователи из Гейдельберга объединили усилия с физиками-полупроводниками из Университета Гисена под руководством профессора доктора Мартина Эйкхоффа.
Их результаты, опубликованные в журнале Advanced Functional Materials, закладывают основу для разработки новых процессов, которые также могут давать оптические доказательства связывания белков. Биологические мембраны будут нанесены на квантовые точки на основе GaN - структуры размером всего в несколько нанометров. Затем квантовые точки будут возбуждаться светом, чтобы излучать излучение. Белки, связывающиеся с мембраной, изменяют интенсивность излучения. Исследователи уже продемонстрировали, что этот принцип подходит для оптического обнаружения связывания белков. Они сотрудничают в реализации альтернатив с CEA, Комиссариатом Франции по атомной энергии и другим источникам энергии.
Для активизации исследований в области оптического обнаружения профессор Танака инициировал создание международной междисциплинарной ассоциации под эгидой Немецко-японского университетского консорциума HeKKSaGOn. Помимо ученых из Гейдельберга, в ассоциацию входят рабочие группы из университетов Киото, Гисена и Барселоны, а также партнеры из CEA. Киотский университет предоставил исследовательское сотрудничество с первоначальным финансированием в рамках своей программы SPIRITS на два года.