«Птица в клетке»: электрохимический сенсор поможет отследить состав крови и пота

Ученые получили молекулярные зонды на основе красителя метиленового синего и циклического соединения пилларарена. Они сконструированы так, что краситель «заперт» внутри колец пилларарена, как в клетке, но высвобождается, если рядом окажется молекула-«ключ», способная ее открыть. Пилларарен можно «настроить» так, чтобы «ключом» для клетки служил гормон, токсин или тяжелый металл. Это поможет отслеживать присутствие молекул-«ключей» по сигналу красителя. В перспективе предложенный подход позволит создавать носимые сенсоры, например, в формате смарт-часов, для мониторинга уровня таких молекул в поте и других жидкостях организма. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале RSC Organic & Biomolecular Chemistry.

В последние годы растет интерес к молекулярным зондам — синтетическим веществам, используемым для распознавания биологически активных соединений, таких как металлы, токсины, белки, нуклеиновые кислоты и другие. Зонды реагируют на целевые вещества, поскольку несут определенные группы атомов, способные к избирательному связыванию определяемых соединений. Так, например, в медицинской практике уже широко используются электрохимические зонды для оценки уровня глюкозы в крови. Однако число подобных зондов пока невелико, и ученым не удавалось предложить универсальную конструкцию, которую можно было бы адаптировать для анализа веществ самой разной природы.

Исследователи из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) создали молекулярный зонд, нанеся на электрод (элемент, проводящий и регистрирующий электрический ток) комплекс из двух органических молекул — красителя метиленового синего и макроцикла пилларарена. Пилларарен состоит из ароматических колец, объединенных в своего рода цилиндр, внутрь которого можно поместить небольшие органические соединения, такие как метиленовый синий.

Когда краситель окружен кольцами пилларарена, он не контактирует с электродом. Если же в раствор добавить вещество, распознаваемое пилларареном, метиленовый синий высвобождается из комплекса, как из клетки, и тогда электрод регистрирует сигнал — ток окисления красителя. Авторы смогли изменять тип соединения, которое служило «ключом от клетки», варьируя состав химических групп, которые окружают кольцо пилларарена. Оказалось, что пилларен можно нацелить практически на любую молекулу, немного изменив его структуру. В частности, авторы получили комплекс, нацеленный на ионы металлов.

Химики протестировали взаимодействие такого зонда с 16 различными ионами металлов и выявили два из них — кобальт и цинк, — которые способны открыть пилларареновую «клетку» и высвободить краситель.

«У этого исследования большой практический потенциал, так как, варьируя структуру пилларарена, можно настроить его на связывание не только металлов, но и любых малых молекул, контроль которых важен. Другими словами, можно устанавливать разные "замки" клетки и подбирать для них разные "ключи"», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Шурпик, кандидат химических наук, доцент кафедры органической и медицинской химии КФУ.

Метиленовый синий и пилларарен нетоксичны для человека, поэтому комплексы можно наносить на носимые сенсоры, например смарт-часы и другие компактные устройства с электронным интерфейсом. Это позволит получать информацию о состоянии организма, например, превышении допустимых уровней гормонов или присутствии ионов токсичных металлов и органических токсинов в режиме реального времени по выделениям на поверхности кожи (поту и жиру).

«Также электроды с нашими комплексами можно будет интегрировать в электрические глюкометры, которые по капельке крови измеряют уровень сахара в ней. Это позволит, помимо сахара, оценивать дополнительные параметры — опять же, токсичные вещества или другие опасные молекулы», — подводит итог Дмитрий Шурпик.