经过改性处理的碳纳米管可以用于追踪单个细胞产生的蛋白质。

来自麻省理工学院的工程师们最近设计了一种新型传感器，首次实现对由单细胞分泌的单个蛋白质分子的检测。

研究人员说，这些传感器由经过化学改性的碳纳米管组成。对于那些需要检测微量蛋白质的应用场合，如跟踪病毒感染，监测细胞合成有用的蛋白质，或检测食品污染等，这一发明将大有裨益。

麻省理工学院化学工程系教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说：“使用这样的传感器阵列，我们将“大海捞针”变成了现实。“在现有的分子感测平台内，我们这种碳纳米管阵列拥有最高的探测灵敏度。使用者们还可以对它们进行功能定制，以便于观察与其结合的单分子的随机波动。”

这篇描述新传感器的论文发表于1月23日的《自然纳米技术》杂志上，斯特拉诺是该文的资深作者。这篇论文的第一作者是曾在麻省理工学院攻读博士后的马其塔·兰德里，他目前是加州大学伯克利分校的助理教授。

其他来自麻省理工学院的作者还包括：科学家安藤广树(Hiroki Ando)，前研究生陈艾伦(Allen Chen)，博士后曹积聪(音译，jicong Cao)、董菊耀(音译，Juyao Dong)，电气工程和计算机科学副教授蒂莫西·卢(Timothy Lu)。其他作者还包括来自哈佛大学的维肖·科塔迪尔(Vishal Kottadiel)和加州大学伯克利分校的琳达·乔(Linda Chio)和达尔文·杨(Darwin Yang)。

在此之前，斯塔拉诺的实验室开发了可以检测多种不同分子种类的传感器。这些传感器都基于经过改性的碳纳米管。碳纳米管是由碳构成的圆柱体，其厚度仅有数纳米。当激光照射时，碳纳米管会自发地发出荧光。为了将纳米管变成传感器，斯塔拉诺的实验室研究人员在碳纳米管上涂覆DNA、蛋白质或者其他可以结合特定靶标的分子。当这些分子与靶向结合时，人们能够观测到纳米管的荧光变化。

在该研究中，研究人员在碳纳米管外涂覆了一层称为适体(aptamer)的DNA链。值得注意的是，先前类似的工作无一例外地遭遇了失败。究其原因，是因为研究人员们难以将适体粘附在碳纳米管上的同时，还维持其与靶向结合所需要的空间构型。

而本文作者兰德里则攻克了这一难关。他在适体中负责连接碳纳米管的序列与结合靶向序列之间，添加了一段“间隔”序列，从而使得每一部分序列都能自由地执行其功能。研究人员展示了这一传感器能成功地响应名为RAP1的蛋白质，以及HIV1整合酶的病毒蛋白。他们相信，这一手段还能应用于许多其他蛋白质。

为了监测单细胞的蛋白质生产过程，研究人员在显微镜载玻片上设置了一系列传感器。当单个细菌，人或酵母细胞置于阵列上时，传感器可以检测细胞何时分泌靶蛋白的分子。

斯特拉诺评论说，“这样的纳米传感器阵列不存在检测下限，我们可以看到单个分子”。

然而，碳纳米管检测器的极高灵敏度也有一定的代价：分子数量越少，感应它们所需要的时间就越长。斯特拉诺说，随着分子数量变得越来越稀少，检测可能需要无限长的时间。

布朗大学工程学教授罗伯特·赫特(Robert Hurt)说，“斯特拉诺及其同事的这项新研究，为实现检测单分子水平的蛋白质提供了一条令人惊喜的新途径”。罗伯特教授没有参与这项研究。“这项工作推动了单蛋白检测的最前沿，并可能使得研究人员们得以实时地在单细胞水平观察到重要的分子活动，如细胞分裂期间的蛋白质释放。

有用的工具

研究人员介绍说，碳纳米管传感器阵列可用于许多不同的应用。

“这个平台将为检测微生物分泌的微量蛋白质开辟一条新路径”，董博士说。“它将推动对生物学领域，对于生成单个信号分子的研究。同时，它还将促进生物制药行业在监测微生物健康及产物质量方面的投入。

在药物领域，这些传感器将可用于测试经过生物工程处理过的细胞。这些细胞将可以用于疾病治疗。许多研究人员正在研究的一种途径，就是医生首先获取来自患者自身的一个细胞，经过生物工程处理，使之成为治疗性蛋白质，然后再将它们植回患者体内。

斯塔拉诺说，“我们认为，我们研发的这一感测器的价值在于：能够对这些珍贵的细胞进行测量，并确保它们以你希望的方式执行功能。”

他说，研究人员还可以使用阵列来研究病毒感染、神经递质功能等。另外，这一阵列还有助于研究人员更好地理解群体感应的现象，即细菌之间能够相互通信，使得细菌能够协调地进行基因表达。