Nanorurki węglowe (CNT, carbon nanotubes) to jedna z czterech odmian alotropowych węgla. CNT to struktury powstające ze zwinięcia jednoatomowej warstwy grafitu (zwanej grafenem) na kształt walca, którego średnica jest rzędu nanometrów (od ułamka do kilkuset nanometrów). Szczególnie interesującym typem CNT są nanorurki jednowarstwowe (SWNT, single walled nanotube), czyli takie które powstały w wyniku zwinięcia tylko jednej warstwy grafenu. Ze względu na swoje rozmiary i zadziwiające własności elektryczne i mechaniczne SWNT są szeroko stosowane przy tworzeniu nowych układów elektronicznych. Z punktu widzenia nanobiotechnologii najbardziej interesujące są nanorurki jednowarstwowe o właściwościach półprzewodników. Najważniejszymi cechami takich SWNT są: modulacja ich konduktywności (przewodnictwa) przez przyłożone napięcie, jak również wysoka czułość nanorurek na zmiany składu otoczenia (konduktywność zależy od zmiany ładunku na powierzchni SWNT). Dzięki tej wiedzy zbudowano specyficzny tranzystor polowy (FET, field-effect transistor) w którym funkcję kanału, którym płynie prąd stanowi nanorurka umieszczona między dwoma elektrodami (I–źródło S, II–dren D) na podłożu Si/SiO2. Wzdłuż kanału umieszczono, tzw. bramkę G, która jest trzecią elektrodą sterującą przepływem ładunku (bramkowa modulacja napięcia). Prąd wyjściowy takiego tranzystora jest funkcją pola elektrycznego istniejącego pod wpływem napięcia sterującego, wejściowego (przyłożonego do bramki G). Naukowcy badając system SWNT-FET zauważyli specyficzne interakcje pomiędzy białkami a nanorurkami w układzie. Dowiedziono, że grupy aminowe białek indukcyjnie oddają elektrony nanorurkom redukując „dziury” kanału (nośniki prądu w tranzystorach typu p), co prowadzi do zmniejszenia konduktywności SWNT. Opierając się na przeprowadzonych badaniach biochemicy i inżynierowie z Jefferson Medical College i University of Delaware zastosowali układ SWNT-FET w celach detekcji komórek nowotworowych. Stworzyli oni prototypowy nanobiosensor w układzie SWNT-FET, w którym jednowarstwowe nanorurki pokryto monoklonalnymi przeciwciałami specyficznymi względem IGFR1, czyli transbłonowego białka receptorowego którego nadmierną ekspresję obserwuje się na powierzchni komórek nowotworowych. Grupa badawcza prowadzona przez Erica Wickstroma zmierzyła zmiany natężenia prądu w układzie SWNT-FET (płynącego przez nanorurkę) w odpowiedzi na interakcję antygen-przeciwciało podczas aplikacji do nanourządzenia roztworów z dwoma rodzajami komórek raka piersi. Pierwszy z nich to ludzka linia komórek raka piersi BT474, które nie reagują na estrogeny i posiadają umiarkowaną liczbę receptorów IGFR1 na swojej powierzchni. Natomiast druga grupa komórek to ludzka linia MCF7, której komórki wymagają estrogenów do wzrostu i charakteryzują się dużym zagęszczeniem IGFR1 w błonie komórkowej. W przypadku linii BT474 zauważono 3–krotny wzrost natężenia prądu, podczas gdy dla komórek MCF7 natężenie wzrosło 8–krotnie. Badacze tłumaczą ten wzrost zmianą właściwości przewodzących nanorurek. W momencie kiedy immobilizowane przeciwciało specyficzne względem IGFR1 zwiąże komórkę rakową (antygen) dochodzi do transportu elektronów od nanorurki do komórki co prowadzi do zmiany właściwości półprzewodnikowych SWNT w bardziej przewodnikowe. Z kolei proces ten objawia się wzrostem natężenia prądu w układzie SWNT–FET, który jest proporcjonalny do ekspresji IGFR1 na powierzchni komórek nowotworowych. Autorzy pracy, E. Wickstrom i B. Panchapakesan wierzą, że owa wprostproporcjonalna zależność charakterystyki prądowej nanourządzenia względem interakcji przeciwciało-antygen pozwoli w przyszłości konstruować nanobiosensory wykrywające markery różnych nowotworów w kropli krwi i w bardzo krótkim czasie.


Thomas Jefferson University