Биоинженеры встроили обонятельный рецептор насекомого в графеновый транзистор и получили электронный нос для распознавания небольших органических молекул. Сенсор отреагировал на все 16 веществ, использованных в эксперименте, включая репеллент DEET, гексанол и эвгенол.
Разработку представили специалисты Калифорнийского университета в Сан-Диего. В качестве чувствительного элемента они выбрали рецептор MhOR5 щетинохвостки Machilis hrabei и закрепили его на поверхности графенового полевого транзистора.
В обычных полевых транзисторах ток проходит через кремниевый канал. В новой системе его заменили графеном, электрические свойства которого меняются даже при слабом взаимодействии с молекулами. Обонятельный белок распознаёт вещество, а транзистор переводит этот сигнал в измеряемое изменение тока.
Для получения рецептора исследователи синтезировали соответствующую генетическую последовательность и ввели её в клетки млекопитающих. После этого белок выделили из клеточных мембран и очистили.
MhOR5 сохранил стабильную тетрамерную структуру после трёх месяцев хранения при температуре −80 °C. Белок также выдержал несколько циклов замораживания и размораживания, что важно для производства и транспортировки готовых сенсоров.
Рецептор прикрепили к графену с помощью карбодиимидной сшивки и молекулы PBASE, которая связывает белки с углеродными наноматериалами. Авторы называют работу первым случаем прямой интеграции MhOR5 с графеновым транзистором для селективного обнаружения малых органических соединений без дополнительных химических меток.
Во время испытаний сила электрического ответа зависела от концентрации вещества. Сенсор также различал молекулы, которые обычным электронным детекторам трудно отделить друг от друга из-за похожих физических и химических свойств.
Технологию можно использовать для анализа воздуха, контроля качества продуктов, поиска загрязнителей и диагностики по летучим соединениям в дыхании или биологических образцах. Исследователи также рассматривают применение в сельском хозяйстве и системах обнаружения опасных химических веществ.
Главное преимущество разработки состоит в возможности объединить избирательность природных рецепторов с чувствительностью и компактностью полупроводников. При этом учёным ещё предстоит проверить срок службы сенсора, его работу вне лаборатории и способность точно распознавать отдельные вещества в сложных смесях.