211service.com
Nanodrátky, které se chovají jako buňky
Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory utěsnili křemíkové nanovláknové tranzistory do membrány podobné těm, které obklopují biologické buňky. Tato hybridní zařízení, která fungují podobně jako nervové buňky, by mohla být použita k vytvoření lepších rozhraní pro protetické končetiny a kochleární implantáty. Mohou také dobře fungovat jako biosenzory pro lékařskou diagnostiku.
Hybridní nanodrát: Křemíkový nanodrát zobrazený na mikroskopickém snímku (nahoře) je pokrytý tukovou membránou podobnou těm, které obklopují biologické buňky. Spodní obrázek je ilustrace zobrazující dvě vrstvy lipidových molekul, které obklopují nanodrát a utěsňují jej od okolního prostředí. Ionty mohou procházet membránou přes iontový kanál, zde znázorněný levandulí.
Biologická komunikace je sofistikovaná a v dnešní elektronice, která se spoléhá na elektrická pole a proudy, nemá obdoby. Buňky v lidském těle používají mnoho dalších komunikačních prostředků včetně hormonů, neurotransmiterů a iontů, jako je vápník. Spojnicí biologické komunikace je buněčná membrána, dvojitá vrstva tukových molekul posetá proteiny, které fungují jako strážci brány a provádějí první kroky při zpracování biologických signálů.
Alexandr Noy , chemik v národní laboratoři, dal křemíkovým nanovláknům buněčnou membránu v naději, že vyrobí lepší bioelektroniku. Pokud dokážete přimět moderní mikroelektroniku, aby mluvila s živými organismy, můžete vyrobit účinnější protetiku nebo nové typy biosenzorů pro lékařskou diagnostiku, říká Noy. Pokud by například elektrody spojující protetické zařízení s nervovým systémem dokázaly číst chemické signály namísto pouze elektrických, osoba, která je nosí, by mohla mít lepší kontrolu nad protézou.
Noy začal vytvořením polí křemíkových nanovláknových tranzistorů – řad drátů o průměru 30 nanometrů ohraničených na obou koncích elektrickými kontakty – pomocí metod vyvinutých jinými výzkumníky. Čipy byly umístěny do mikrofluidního zařízení. Noyova skupina použila mikrofluidiku k dodání dutých kuliček molekul mastných membrán. Koule jsou přitahovány k negativně nabitým povrchům nanodrátů, kde se hromadí a spojují dohromady, aby vytvořily souvislou membránu, která úplně utěsňuje každý nanodrátek, stejně jako biologická membrána utěsňuje obsah buňky. Holé nanovláknové tranzistory vykazují měřitelnou změnu ve svých elektrických vlastnostech, když jsou vystaveny kyselým nebo zásaditým roztokům; membránou chráněné nanodrátky ne, protože tuková vrstva utěsňuje drsný roztok – stejně jako biologická buněčná membrána.
Aby potažené nanodráty získaly elektrické brány – v podstatě prostředek, jak je přimět reagovat na okolní chemické prostředí – Noy přidal proteiny, aby vytvořil iontové kanály, které řídí tok nabitých atomů a molekul přes buněčné membrány. Když se tyto proteiny vloží do roztoku s nanodrátky, vloží se do membrány. Skupina Noy testovala zařízení se dvěma typy iontových kanálů: jedním, který vždy umožňuje průchod malým, kladně nabitým iontům, a jedním, který tak činí pouze v reakci na změnu napětí, kterou může nanodrát vytvořit. Tento protein reagující na napětí se často používá k napodobování elektrických signálů nervových buněk. Nanodrátky s iontovými kanály byly schopny vnímat přítomnost iontů v roztoku. Použitím nanodrátu k vytvoření rozdílu napětí přes membránu lze napěťově reagující protein otevřít a zavřít, což efektivně umožňuje nanodrátu zapnout nebo vypnout schopnost chemického snímání. Neuron je v některých ohledech dobrý analog, říká Noy o těchto zařízeních.
Noyova práce, popsaná tento týden v Proceedings of the National Academy of Sciences , otevírá nové cesty, protože díky tomu jsou nanodráty více podobné buňkám, říká Yi Cui , odborný asistent materiálové vědy a inženýrství na Stanfordské univerzitě. S Charlesi drahý , chemik z Harvardské univerzity, Cui vytvořil z křemíkových nanodrátů velmi citlivé senzory potažením nanodrátů protilátkami. Senzory by mohly například detekovat krevní proteiny charakteristické pro rakovinu. Noyova práce, říká Cui, je opravdu kreativní způsob, jak integrovat tranzistor s buněčnou membránou. Potažením nanodrátů může Noy využít všeho, co biologické buněčné membrány nabízejí, včetně schopnosti snímat a reagovat na změny napětí, stejně jako ionty, proteiny a další biomolekuly. Tento rozsah funkčnosti nelze dosáhnout pomocí protilátek, říká Cui.
Dále Noy plánuje vyvinout sofistikovanější nano-hybridní zařízení. Doposud bylo každé zařízení vybaveno pouze jedním typem iontového kanálu, což omezuje složitost funkcí, které mohou vykonávat. (Biologické buňky jsou potaženy mnoha různými membránovými proteiny.)
Výzkumníci také začnou testovat interakce zařízení s živými buňkami. Ostatní výzkumníci, včetně Peidong Yang na University of California, Berkeley a Harvard's Lieber, použili holé křemíkové nanodrátky k propojení s neurony, kmenovými buňkami, srdečními buňkami a dalšími tkáněmi. Ukázali, že nanodrátky mohou odesílat a přijímat elektrické signály s velmi vysokým prostorovým rozlišením, a to i v rámci jednotlivých buněk. Počáteční práce Noy zůstává důkazem konceptu.