Исследователи из США разработали сенсор, который изменяет цвет в ответ на состояние окружающей среды, используя механизм схожий с тем, который действует во многих живых организмах. Например, когда индюшка или индюк волнуются, цвет шеи птицы может меняться от красного до голубого или белого.

Основой сенсора, разработанного в группе Сэун-Ук Ли (Seung-Wuk Lee) из Калифорнийского университета в Беркли, являются расположенные в строго определенном порядке группах фрагменты нитевидных покровных белков бактериофагов (filamentous bacteriophage). Попадая на эти фрагменты, белый свет претерпевает когерентное рассеяние, что в итоге приводит к формированию цвета одной определенной окраски. Сжатие или расширение пучков покровных белков бактериофагов в ответ на внешнее воздействие, как например влажность или летучие химические вещества, изменяет расстояние между пучками, и в результате окраска рассеянного света изменяется. В шее индюка аналогичный эффект достигается за счет пучков коллагена, расстояние между которыми может меняться благодаря расширению кровеносных сосудов.

Важно то, что поскольку сенсор базируется на самовоспроизводящемся биологическом организме, становится возможным генетическое создание белковой композиции, состоящей из покровного белка бактериофага, который может образовывать связь с различными веществами с высокой избирательностью.

Под воздействием определенных химических веществ пучки белков бактериофагов расширяются или сжимаются, генерируя различные цвета. (Рисунок из Nat. Commun., 2014, DOI: 10.1038/ncomms4043)

Исследовательская группа также разработала способ осаждения пучков покровных белков бактериофагов из раствора на твердый субстрат. За счет контроля концентрации белка и скорости, с которой он выводится из раствора, становится возможным получать пучки с различным диаметром, которые рассеивают свет с разными длинами волн. С помощью такого способа исследователи могут создать универсальные белковые индикаторные бумаги, способные окрашиваться в разные цвета. Исследователи также разработали приложение к смартфону, которое может преобразовывать и анализировать изменения цвета.

Для демонстрации своей идеи исследовательская группа получила покровный белок бактериофага для распознавания взрывчатого вещества тринитротолуола (ТНТ). Сенсор обладал способностью определять концентрацию тринитротолуола вплоть до 300 мкг/кг, однако не был в состоянии распознавать родственные по структуре соединения – мононитротолуол и динитротолуол.

Ли говорит, что способы, которые они применяли, настолько просты, что любой может повторить их в лабораторных условиях. Ли подчеркивает, что затраты при масштабировании и производственная себестоимость будут незначительными.

Фернандо де Круз Васкочеллос (Fernando da Cruz Vasconcellos), эксперт по сенсорам из Кембриджского университета в Великобритании, впечатлен работой исследователей. По мнению де Круза Васкочеллоса, несмотря на всю свою простоту, создание новой системы является важным достижением в попытке преодолеть ограничения в ожидаемой аналитической селективности (избирательности), что является важнейшей задачей в развитии сенсоров. Де Круз Васкочеллос добавляет, что умение получать оптимизированные и узнаваемые фрагменты, решающие конкретные задачи, и объединение их на генетическом уровне с биологическими организмами, которые могут самоорганизовываться в настраиваемые колориметрические сенсоры, таит в себе огромные будущие возможности для целой области сенсорных технологий.