Сахарный стабилизатор защитит сенсоры пота от кислотности

Сахароза монолаурат, добавленная в качестве стабилизатора к электроду, сформировала защитные гексагональные и ламинарные наноструктуры вокруг лактатоксидазы, защищая её от пота и сохраняя активность фермента. Это, в свою очередь, позволило повысить точность обнаружения молочной кислоты. Автор: д-р Исао Шитанда из Токийского университета науки, Япония. Источник изображения: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c02857

Состав пота делает его ценным диагностическим материалом. Хотя он в основном состоит из воды, небольшая доля, содержащая электролиты, побочные продукты метаболизма и химические следы, может раскрыть важную информацию о здоровье человека. Сегодня коммерческие сенсоры на основе пота уже могут отслеживать обезвоживание, потерю электролитов и многое другое. Одно из перспективных применений — измерение молочной кислоты в поте.

Молочная кислота, точнее L-лактат, является побочным продуктом метаболизма, который в основном вырабатывается в мышечных клетках при расщеплении глюкозы для получения энергии в условиях низкого содержания кислорода, например, во время интенсивной физической активности. Спортсмены и тренеры используют измерения лактата для оценки выносливости и планирования тренировок, но высокий уровень также может быть предупреждающим признаком таких состояний, как лактоацидоз.

Сенсоры молочной кислоты обычно используют лактатоксидазу (LOx) — фермент, прикреплённый к биосовместимому электроду, для измерения уровня лактата. LOx связывается с L-лактатом и катализирует его окисление в пируват, производя перекись водорода в качестве побочного продукта. Затем эта перекись водорода электрохимически окисляется или восстанавливается на электроде, генерируя измеримый ток, который соответствует концентрации лактата в поте.

Однако LOx чувствительна к pH. Она лучше всего работает при нейтральном pH и теряет большую часть своей активности в кислой среде пота, который имеет pH около 4,0. Один из подходов к решению этой проблемы — добавление сахаров, которые помогают стабилизировать фермент в кислых условиях.

В недавнем исследовании учёные из Токийского университета науки (Япония) обнаружили, что сахароза монолаурат обеспечивает значительно лучшую защиту для LOx, чем обычные сахара. В тестах, имитирующих кислый pH пота, электроды, модифицированные сахарозой монолауратом, сохраняли около 80% активности LOx при pH 5,0 по сравнению с лишь 50% без неё.

Их работа была опубликована в журнале Langmuir. Исследованием руководил доцент Исао Шитанда в сотрудничестве с Anton Paar Japan K.K., а также при участии доцента Таку Огуры из Научно-исследовательского института науки и технологий и г-жи Тиаки Савахары, магистра кафедры чистой и прикладной химии Токийского университета науки, и д-ра Юити Такасаки из Anton Paar Japan K.K.

«Мониторинг лактата в поте в реальном времени становится всё более важным для спортивных тренировок и управления тепловым ударом. Чтобы измерить лактат пота, фермент должен оставаться стабильным на сенсоре в кислых условиях. В этом исследовании мы показываем, что использование стабилизирующего агента сохраняет активность фермента в кислых растворах, образуя специальную структуру», — говорит д-р Шитанда.

Команда изготовила золотые и углеродные электроды без стабилизаторов, с сахарозой монолауратом и с мальтозой (которая также является стабилизатором). Затем они подвергли электроды воздействию нейтральных (pH 7,0), слабокислых (pH 6,0) и более кислых (pH 5,0) растворов, чтобы проверить, как они будут работать при воздействии пота.

Без стабилизатора измеряемый ток значительно падал по мере снижения pH. Электроды с мальтозой показали небольшое улучшение при pH 6,0, но почти никакого при pH 5,0. Напротив, электроды, модифицированные сахарозой монолауратом, сохраняли около 80% своей активности при pH 5,0.

Чтобы исследовать, почему сахароза монолаурат обеспечивает такую эффективную защиту, учёные изучили наноструктуру поверхностей электродов с помощью метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей под скользящим углом (GI-SAXS). Эта методика предполагает направление рентгеновских лучей под очень малым углом для прямого наблюдения за тем, как сахароза монолаурат и LOx располагаются на поверхностях электродов.

Исследователи обнаружили, что сахароза монолаурат формировала аккуратные гексагональные массивы с ламеллярными слоями на гладких поверхностях электродов. При добавлении LOx она встраивалась в эти гексагональные и слоистые структуры.

В разбавленных растворах было замечено, что сахароза монолаурат собирается в крошечные мицеллы типа «ядро-оболочка», которые сливаются в стержневидные формы и упаковываются в гексагональные массивы. Фермент помещается внутри этих структур, создавая защитный барьер, который блокирует ионы водорода, но при этом пропускает воду и метаболиты, такие как молочная кислота, сохраняя способность фермента функционировать и делая его устойчивым к изменениям pH.

Раскрыв этот механизм защиты, исследование открывает путь к созданию более долговечных и надёжных сенсоров молочной кислоты в поте для непрерывного мониторинга здоровья. «Понимание этого механизма может способствовать разработке высокостабильных ферментных электродов и высокопроизводительных биоприборов», — заключает д-р Шитанда.

Кроме того, сахароза монолаурат является безопасным, доступным и масштабируемым стабилизатором для коммерческого использования. Более того, подход, использованный в этом исследовании, может быть применён для других условий окружающей среды, а не только для низкого pH, и может быть использован для стабилизации других ферментов.

Больше информации: Isao Shitanda et al, Sucrose Monolaurate as a Stabilizer for Lactate Oxidase Electrodes at Low pH: A Structural Analysis Based on Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering, Langmuir (2025). DOI: 10.1021/acs.langmuir.5c02857

Источник: Tokyo University of Science