211service.com
Nanoprzewody, które zachowują się jak komórki
Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory zamknęli tranzystory krzemowo-nanoprzewodowe w membranie podobnej do tych, które otaczają komórki biologiczne. Te hybrydowe urządzenia, które działają podobnie do komórek nerwowych, mogą zostać wykorzystane do stworzenia lepszych interfejsów dla protez kończyn i implantów ślimakowych. Mogą również działać jako bioczujniki do diagnostyki medycznej.
Hybrydowy nanodrut: Nanodrut krzemowy pokazany na zdjęciu mikroskopowym (u góry) jest pokryty błoną tłuszczową podobną do tej, która otacza komórki biologiczne. Dolny obraz jest ilustracją przedstawiającą dwie warstwy cząsteczek lipidów, które otaczają nanodrut, uszczelniając go przed otaczającym środowiskiem. Jony mogą przechodzić przez membranę kanałem jonowym, przedstawionym tutaj w kolorze lawendy.
Komunikacja biologiczna jest wyrafinowana i nie ma sobie równych w dzisiejszej elektronice, która opiera się na polach elektrycznych i prądach. Komórki w ludzkim ciele wykorzystują wiele dodatkowych środków komunikacji, w tym hormony, neuroprzekaźniki i jony, takie jak wapń. Węzłem komunikacji biologicznej jest błona komórkowa, podwójna warstwa cząsteczek tłuszczowych wysadzanych białkami, które pełnią funkcję strażników i wykonują pierwsze kroki w przetwarzaniu sygnałów biologicznych.
Aleksandr Noy , chemik z krajowego laboratorium, dał nanodrutom krzemowym błonę komórkową w nadziei na udoskonalenie bioelektroniki. Jeśli potrafisz sprawić, by nowoczesna mikroelektronika rozmawiała z żywymi organizmami, możesz stworzyć wydajniejsze protezy lub nowe typy bioczujników do diagnostyki medycznej, mówi Noy. Na przykład, jeśli elektrody łączące protezę z układem nerwowym mogą odczytywać sygnały chemiczne, a nie tylko elektryczne, osoba nosząca je może mieć lepszą kontrolę nad protezą.
Noy zaczął od stworzenia macierzy tranzystorów krzemowo-nanodrutowych – rzędów przewodów o średnicy 30 nanometrów, połączonych na obu końcach stykami elektrycznymi – przy użyciu metod opracowanych przez innych badaczy. Macierze umieszczono w urządzeniu mikroprzepływowym. Grupa Noya wykorzystała mikroprzepływy do dostarczania pustych kulek cząsteczek błon tłuszczowych. Kulki są przyciągane do ujemnie naładowanych powierzchni nanodrutów, gdzie gromadzą się i łączą, tworząc ciągłą membranę, która całkowicie uszczelnia każdy nanodrut, tak jak membrana biologiczna uszczelnia zawartość komórki. Tranzystory z czystym nanoprzewodem wykazują mierzalną zmianę swoich właściwości elektrycznych po wystawieniu na działanie kwaśnych lub zasadowych roztworów; nanodruty chronione membraną nie, ponieważ warstwa tłuszczowa uszczelnia trudne rozwiązanie – podobnie jak biologiczna błona komórkowa.
Aby zapewnić powlekanym nanodrutom bramki elektryczne – zasadniczo sposób na sprawienie, by reagowały na otaczające środowisko chemiczne – Noy dodał białka w celu utworzenia kanałów jonowych, które kontrolują przepływ naładowanych atomów i molekuł przez błony komórkowe. Po umieszczeniu w roztworze z nanoprzewodami białka te wnikają w błonę. Grupa Noya przetestowała urządzenia z dwoma rodzajami kanałów jonowych: jeden, który zawsze przepuszcza małe, dodatnio naładowane jony, i drugi, który robi to tylko w odpowiedzi na zmianę napięcia, którą może wytworzyć nanodrut. To białko reagujące na napięcie jest często używane do naśladowania sygnałów elektrycznych komórek nerwowych. Nanodruty z kanałami jonowymi były w stanie wykryć obecność jonów w roztworze. Dzięki zastosowaniu nanodrutu do wytworzenia różnicy napięcia w błonie, białko reagujące na napięcie może być otwierane i zamykane, skutecznie umożliwiając nanodrutowi włączanie i wyłączanie jego zdolności wykrywania substancji chemicznych. Neuron jest pod pewnymi względami dobrym analogiem, mówi Noy o tych urządzeniach.
Praca Noy, opisana w tym tygodniu w Materiały Narodowej Akademii Nauk , otwiera nowe możliwości, ponieważ sprawia, że nanoprzewody bardziej przypominają komórki, mówi Yi Cui , adiunkt nauk o materiałach i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanforda. Z Karol Drogi , chemik z Uniwersytetu Harvarda, Cui przekształcił nanodruty krzemowe w bardzo czułe czujniki, powlekając je przeciwciałami. Czujniki mogłyby na przykład wykrywać białka krwi charakterystyczne dla raka. Praca Noya, mówi Cui, to naprawdę kreatywny sposób na zintegrowanie tranzystora z membraną komórkową. Powlekając nanodruty, Noy może wykorzystać wszystko, co mają do zaoferowania biologiczne błony komórkowe, w tym zdolność wykrywania i reagowania na zmiany napięcia, a także jony, białka i inne biomolekuły. Ten zakres funkcjonalności nie może być osiągnięty za pomocą przeciwciał, mówi Cui.
Następnie Noy planuje opracować bardziej wyrafinowane urządzenia hybrydowe z nanoprzewodami. Do tej pory każde urządzenie było wyposażone tylko w jeden rodzaj kanału jonowego, co ogranicza złożoność funkcji, które mogą realizować. (Komórki biologiczne są pokryte wieloma różnymi białkami błonowymi.)
Naukowcy rozpoczną również testowanie interakcji urządzeń z żywymi komórkami. Inni badacze, w tym Peidong Yang na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i Lieber z Harvardu zastosowali gołe nanoprzewody krzemowe do łączenia się z neuronami, komórkami macierzystymi, komórkami serca i innymi tkankami. Wykazali, że nanodruty mogą wysyłać i odbierać sygnały elektryczne o bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej, nawet w obrębie pojedynczych komórek. Początkowa praca Noya pozostaje dowodem koncepcji.