Spojrzenie na MIT.nano

Dwie kondygnacje pod ziemią w najnowszym budynku MIT, dwóch doktorów z biologii i doktorant zebrali się wokół monitora komputerowego, na którym widać szare tło z małymi zawijasami i kilkoma ciemnymi plamami. Squiggles to przezroczyste nici białek. Plamy to maleńkie skupiska lodu, które powstały, gdy naukowcy błyskawicznie zamrozili białka, aby odkryć tajemnice, które ich nici ukrywały od setek milionów lat.

Pasma białkowe mają mniej niż 50 nanometrów wysokości i szerokości. Pojawiają się na ekranie, ponieważ są badane przez krio-EM – kriogeniczny mikroskop elektronowy – w sąsiednim pokoju.

Dotarcie do tego punktu wymaga trochę szczęścia, ponieważ białka mogą zostać przesłonięte lub całkowicie utracone w procesie zamrażania. Naukowcy mogą spędzać dni w tym pomieszczeniu w piwnicy, a na ekranie nie pojawia się prawie żaden użyteczny obraz.

Teraz, gdy naukowcy mieli szczęście zobaczyć tak wiele zawijasów, ich następną sztuczką jest dostrzeżenie tych nielicznych, które warto dokładniej zbadać. W żywych komórkach te nici białkowe tworzą kształt litery Y. To, że Y jest kluczowym składnikiem tego, co nazywamy porami jądrowymi, określa, w sposób, którego wciąż nie rozumiemy, co może podróżować do i z jądra komórki. Jednak białka rzadko mają kształt litery Y na ekranie. Tuż przed tym, jak zostaną otoczone warstwą lodu, która pozwala na ich skanowanie przez krio-EM, ramiona i łodygi każdego Y mają tendencję do robienia makaronu. Jedna ręka może być zgięta do tyłu, podczas gdy druga zwisa na bok. Wiele Y lub ich części często łączą się ze sobą.

Tak więc dzisiaj studentka Sarah Nordeen cierpliwie poszukuje takiej, która ma formę definitywnie czystego i jasnego Y.

Widzę jedną – ładną, mówi. Anthony Schuller, biolog strukturalny z tytułem doktora, który obsługuje komputer, przybliża się nieco do wskazywanej przez nią zawiłości. Za pomocą kilku kliknięć myszką mówi cryo-EM, aby przechwyciła zbliżenia, które Nordeen może później przeanalizować. Jeśli uda jej się uzyskać wystarczającą ilość tych dobrze zachowanych Y, w końcu będzie mogła je połączyć, aby uzyskać trójwymiarowy rendering tej struktury – co pomoże jej i innym naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób służy jako strażnik wewnątrz komórek.

Profesor biologii Thomas Schwartz kierował pracami nad uzyskaniem cryoEM z MIT, które umożliwiają naukowcom oglądanie obrazów mniejszych niż 3 angstremy. Bob O'Connor

Tak wygląda życie w MIT.nano, obiekcie, który został otwarty ostatniej jesieni w cieniu Wielkiej Kopuły. Dzięki dwóm maszynom krio-EM i innym urządzeniom, które zostaną zainstalowane w nadchodzących latach, naukowcy z coraz szerszego zakresu dyscyplin będą modelować, budować i naprawiać rzeczy w skali atomowej i molekularnej.

Niektórzy naukowcy wykorzystają MIT.nano do opracowania mocniejszych kubitów do komputerów kwantowych. Inni mogą majstrować przy budowie molekularnej anod i katod, aby się nie strzępiły, wydłużając żywotność baterii. Jeszcze inne grupy mają nadzieję stworzyć materiały zoptymalizowane pod kątem określonych funkcji, dostosowując ich struktury molekularne, aby skuteczniej przewodzić elektryczność, tworzyć bardziej błyszczące kolory na ekranach komputerów lub dozować ukierunkowane leki do krwiobiegu. MIT.nano będzie miał nawet program artystyczny w skali nano. Artyści mogą używać materiałów wygenerowanych przez badaczy z MIT.nano lub korzystać z narzędzi w budynku, aby precyzyjnie kontrolować sposób, w jaki obiekty migoczą, czują lub pachną.

Wszystkie te zastosowania są możliwe dzięki coraz lepszym technikom obrazowania materiałów na poziomie atomowym. Tworzymy nowe sposoby patrzenia, a potem widzimy nowe sposoby patrzenia, powiedział prezydent L. Rafael Reif podczas ceremonii inauguracji MIT.nano w październiku.

Aby uświadomić sobie interdyscyplinarny aspekt tego wszystkiego, żaden wydział nie będzie miał biur w budynku MIT.nano o wartości 400 milionów dolarów; będzie tam stacjonowało tylko kilkudziesięciu pracowników, którzy będą nadzorować sprzęt. Mikroskopy, czyste pomieszczenia i zakłady produkcyjne mają być używane przez ludzi z wydziałów całego kampusu. Wydzielona przestrzeń oznacza, że ​​nowy sprzęt nie będzie musiał być umieszczany w już wypełnionych laboratoriach, a wiele wersji maszyn o znaczeniu krytycznym może działać jednocześnie bez niebezpieczeństwa zanieczyszczenia krzyżowego, zwiększając możliwości badawcze. Oznacza to również, że naukowcy będą mieli dostęp do najnowocześniejszego sprzętu, który byłby zbyt drogi w eksploatacji i konserwacji we własnych laboratoriach – i nie będzie bezczynny, gdy z niego nie będą korzystać.

Absolwentka biologii Sarah Nordeen nałożyła niewielką próbkę kompleksu Y porów jądra drożdży na trzymilimetrową siatkę podtrzymującą próbki i zamroziła białka w warstwie szklistego lodu do analizy krio-EM. Bob O'Connor

Wpatrywanie się w białka

Przez miesiące po otwarciu większość MIT.nano była pusta. Obiekt – budynek 12, tuż przy Nieskończonym Korytarzu w sercu kampusu – był jednak imponujący, elegancka konstrukcja ze szkła i stali, która wychodzi na chodnik z bambusami i brzozami. (Nazywa się Spacer Nieprawdopodobieństwa na cześć nieżyjącej już profesor Instytutu i pionierki nanotechnologii Mildred Dresselhaus, która kiedyś określiła swoją karierę jako nieprawdopodobną, biorąc pod uwagę jej skromne początki). być użytym. Przeniesienie niektórych z najbardziej zaawansowanych narzędzi MIT do obserwacji i budowania obiektów w nanoskali z Building 39, siedziby Microsystems Technology Laboratories, oraz zidentyfikowanie i zebranie funduszy na nowszy sprzęt, w który warto zainwestować, wymaga czasu.

Niektóre kamienie milowe MIT w nanotechnologii

• 1959

  W There’s Plenty of Room at the Bottom, wykładzie w Caltech, Richard Feynman ’39 wybiega w przyszłość o dekady, kiedy naukowcy będą mogli rozmieszczać atomy tak, jak chcemy i tworzyć użyteczne maszyny w nanoskali.

• 1960

  Powstaje Komitet Edukacji Elektroniki Półprzewodnikowej MIT.

• 1968

  Microlab otwiera się w budynku 13.

• 1972

  Henry Smith i D.L. Spears sugeruje wykorzystanie litografii rentgenowskiej do wytwarzania obwodów krzemowych o właściwościach w nanoskali.

• 1984

  MTL (Microsystems Technology Labs) otwiera się w budynku 39.

• 1992

  Mildred Dresselhaus i koledzy przewidują, że można wytworzyć półprzewodnikowe lub metaliczne nanorurki węglowe, nieznacznie zmieniając ich geometrię. Rozpoczyna również badania nad sposobami wykorzystania efektu termoelektrycznego w nanoskali, uruchamiając nową dziedzinę.

• 1993

  Grupa Moungi Bawendi wymyśla sposób na syntezę nanokryształów, czyli kropek kwantowych.

• 1994

  Robert Langer, ScD ’74 i współpracownicy wykorzystują nanocząsteczki do skuteczniejszego dostarczania leków i przy mniejszej liczbie skutków ubocznych.

• ciąg dalszy poniżej

Oprócz tętniących życiem laboratoriów chemii licencjackiej na najwyższym piętrze budynku, wczesne działania w MIT.nano odbywały się w piwnicy. Aby umożliwić działanie krio-EM i podobnym instrumentom, w piwnicy znajdują się specjalne pomieszczenia, które są ekranowane przed promieniowaniem elektromagnetycznym — nie można uzyskać sygnału telefonu komórkowego — i są wyposażone w platformy, które eliminują wibracje z budynku i świata na zewnątrz. Maszyna krio-EM kosztuje około 5 milionów dolarów; pokój, w którym się znajduje, to dodatkowe trzy lub cztery miliony. Posiadanie dwóch osób w kampusie to mile widziana zmiana. Przed otwarciem MIT.nano badacze z MIT musieli pożyczyć czas na starszych modelach krio-EM w innych instytucjach.

Naukowcy od dawna przyglądają się rzeczom na taką skalę. Na przykład krystalografia rentgenowska powstała sto lat temu. To właśnie umożliwiło określenie struktury DNA w 1953 roku. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, którą można wykorzystać do ustalenia struktury atomowej związku, oraz mikroskopy elektronowe, które wystrzeliwują wiązkę elektronów na obiekt i mierzą, jak się rozpraszają. opracowany w latach 50. XX wieku. W latach 80. pojawiły się skaningowe mikroskopy tunelowe, które mogą obrazować pojedyncze atomy w materiale przewodzącym. STM działają na zasadzie unoszenia bardzo ostrej końcówki tuż nad próbką i mierzenia prądu elektronów, które przechodzą z końcówki do materiału. Potem przyszedł mikroskop sił atomowych, który ma jeszcze wyższą rozdzielczość. Może popychać i pobudzać atomy i molekuły, a także obserwować aktywność w nieprzewodzących próbkach, w tym żywych komórkach.

Choć wszystkie te metody robią wrażenie, były ślepe na ogromną ilość materiału biologicznego, z którego większość nie nadaje się do krystalizacji lub bombardowania dużymi ilościami energii. Cryo-EM, oparte na przełomowych odkryciach, które zdobyły Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2017 roku, okazały się szczególnie przydatne do szczegółowego badania lepkich substancji wewnątrz komórek.

Chociaż technologia krio-EM zaczęła pojawiać się w latach 80. i 90., w ciągu ostatnich kilku lat znacznie się poprawiła. Ulepszenia w technologiach kamer pozwoliły naukowcom na pięcio- lub dziesięciokrotną poprawę rozdzielczości: krio-EM mogą teraz rozwiązywać obrazy mniejsze niż 3 angstremy. (Angstrom, jedna dziesiąta nanometra, to średnica atomu wodoru.) I obraz powinien stać się znacznie ostrzejszy niedługo. Teoretyczne granice tej techniki nie zostały jeszcze osiągnięte, a obecnie opracowywane technologie mogą ograniczyć uszkodzenia, jakie wiązki elektronów w tych maszynach wyrządzają badanym próbkom, mówi Edward Brignole, który nadzoruje krio-EM w MIT.nano.

Poprzez obliczeniowe połączenie obrazów ~1 miliona pojedynczych białek Sarah Nordeen i Anthony Schuller mają nadzieję uzyskać trójwymiarową strukturę atomową kompleksu. Przewidywany model 3D kompleksu Nordeen jest pokazany tutaj.

Białko w kształcie litery Y analizowane w MIT.nano pojawiło się po raz pierwszy około dekadę temu dzięki krystalografii i innym technikom. To był kluczowy początek dla ustalenia, co robi w porach jądrowych, ponieważ funkcja białka jest podyktowana strukturami, które są naturalnie tworzone przez jego łańcuchy aminokwasów. Ale tylko dzięki dostępnym teraz narzędziom naukowcy mogą zobaczyć zarówno samo Y, jak i połączenia, jakie tworzy z innymi podjednostkami poru jądrowego.

Według Thomasa Schwartza, biologa strukturalnego z MIT, którego laboratorium obejmuje Nordeena i Schullera, aby zorientować się, jak mała jest tutaj skala, weź pod uwagę, że struktura Y składa się tylko z około 100 000 atomów. Gdybyśmy lepiej zrozumieli, jak pasuje do innych kawałków, moglibyśmy dowiedzieć się, w jaki sposób por umożliwia, powiedzmy, informacyjnemu RNA wydostanie się z jądra i białkom, aby się do niego dostać. Moglibyśmy również dowiedzieć się, dlaczego stosowane przez niego metody bramkowania nie są niezawodne. . Jak niektóre wirusy dostają się do jądra, gdzie się replikują? Czy jest sposób, aby to powstrzymać?

Inni biolodzy na zmianę krio-EM mają inne pytania. Postdoc Xue Fei używa go do badania białek używanych przez bakterie do usuwania odpadów. Kacper Rogala, staż podoktorski w Whitehead Institute for Biomedical Research, afiliowanym przy MIT, bada poszczególne fragmenty szlaku mTOR. To mechanizm sygnalizacyjny, który reguluje metabolizm komórek. Zostało to powiązane z rakiem i długowiecznością, i być może uda się opracować leki, które będą ukierunkowane na bardzo specyficzne interakcje na tej ścieżce, a nie na całość.

Dwa nowe kriogeniczne mikroskopy elektronowe MIT, znane jako cryo-EM, znajdują się w MIT.nano na platformach, które niwelują wibracje otoczenia. Bob O'Connor

Od widzenia do przemiany

Jesteśmy na bardzo wczesnym, wczesnym, wczesnym etapie wykorzystywania możliwości nanoskali, mówi Vladimir Bulović, profesor inżynierii, który jest dyrektorem MIT.nano. Siedzimy w jego przytulnym biurze, z wysokimi szafkami, roślinami i drewnianym stolikiem do kawy, w budynku 13, w dół korytarza od nowo otwartego korytarza, który łączy się z górnym piętrem MIT.nano. Wyjaśnia, dlaczego sprzęt, który ostatecznie wypełni budynek, położy podwaliny pod zastosowania, których jeszcze nie potrafimy sobie wyobrazić.

• 1999

  Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97, publikuje Microfabrication in Tissue Engineering and Bioartificial Organs.

• 2002

  Linda Griffith i jej współpracownicy tworzą biologiczne struktury tkanek na krzemie, wątrobę na chipie.

• 2006

  Karl K. Berggren i współpracownicy zademonstrowali urządzenie z nanoprzewodami zdolne do wykrywania pojedynczego fotonu.

• 2009

  Angela Belcher i jej zespół wykorzystują genetycznie zmodyfikowane wirusy do budowy kluczowych elementów baterii litowo-jonowej.

• 2014

  Scott Manalis, Belcher i Bhatia demonstrują urządzenie, które mierzy masę pojedynczych nanocząstek z dużą dokładnością.

• 2014

  Vladimir Bulovic, Marc Baldo i współpracownicy wyobrażają sobie ekscyton, quasi-cząsteczkę odpowiedzialną za transfer energii w nanoskali. Ekscyton jest niezbędny w przypadku ogniw słonecznych, diod LED i obwodów półprzewodnikowych.

• 2018

  Paula Hammond ’84, PhD ’93 i współpracownicy projektują nanocząsteczki, które przekraczają barierę krew-mózg u myszy, aby dostarczać leki przeciwnowotworowe.

Bulović wykonał pionierskie prace nad materiałami, takimi jak kropki kwantowe, nanocząsteczki półprzewodnikowe, które są przydatne w telewizorach wysokiej rozdzielczości, ogniwach słonecznych i badaniach biologicznych. Wykorzystują mechanikę kwantową w sposób, którego nie można było bezpośrednio zaobserwować przed wynalezieniem skaningowego mikroskopu tunelowego w latach 80. XX wieku. Ale, jak podkreśla Bulović, minęło dużo czasu, zanim ten szczególny przełom w wizualizacji został wykorzystany w produktach. Na początku spędzaliśmy czas po prostu ciesząc się widokiem atomów, mówi. Mistrzostwo nad atomami przychodziło powoli. W 1993 roku naukowcom IBM udało się skorelować atomy w konfiguracje, które manipulowały zachowaniem elektronów. Ale dopiero w 2000 roku, jak mówi Bulović, naukowcy stali się biegli w wykorzystywaniu mocy obserwacji STM do projektowania konkretnych materiałów.

Teraz spodziewa się, że podobny proces rozwinie się w MIT.nano, gdzie maszyny, które zwykle były używane do wysoce specjalistycznych eksperymentów, staną się gotowymi zestawami narzędzi do szerszego zastosowania.

Jednym z profesorów przechodzących od patrzenia do tworzenia jest Farnaz Niroui, SM ’13, PhD ’17, który właśnie dołączył do wydziału inżynierii. Potrafi precyzyjnie kontrolować, w jaki sposób elektrony oddziałują ze sobą w materiałach zaprojektowanych w nanoskali. To kładzie podwaliny pod urządzenia, które są znacznie bardziej energooszczędne niż te, które mamy dzisiaj. Tymczasem profesor materiałoznawstwa i inżynierii Frances Ross i jej koledzy dokładnie dokumentują, co się dzieje, gdy pewne rodzaje przewodzących molekuł samoorganizują się w nanoprzewody. Jeśli takie spostrzeżenia umożliwią hodowanie przewodów wewnątrz nowych materiałów, kto wie, jakie urządzenia elektroniczne zostaną z nich wykonane?

By podać inny przykład, Bulović sięga po kawałek plastiku z czarnymi prostokątami. Jest to prototyp elastycznego, ale ultrawydajnego typu ogniwa słonecznego, które pochłania więcej długości fal światła niż dzisiejsze urządzenia fotowoltaiczne. Dokonanie tego wymagało od naukowców majsterkowania przy właściwościach molekularnych minerałów znanych jako perowskity, które mogą pozyskiwać energię słoneczną. Bulović mówi, że ludzie przechodzący przez MIT.nano w nadchodzących latach mogą zajrzeć do środka i zobaczyć, jak naukowcy rozmazują pasty bogate w perowskit na plastikowe arkusze, próbując udoskonalić technologię.

Dyrektor MIT.nano i profesor inżynierii Vladimir Bulović. Bob O'Connor

Bulović wspomina o możliwości podkreślenia badań nad czystą energią prowadzonych w ramach interdyscyplinarnych programów MIT, takich jak GridEdge Solar, których celem jest zwiększenie skali produkcji lekkich, elastycznych ogniw słonecznych. Ale zwraca również uwagę na przejrzystą naturę MIT.nano. Wiele z tego, co wydarzy się w środku, poza badaniami biologicznymi, będzie kontynuacją prac, które od lat są aktywne w Microsystems Technology Labs — dziale, którym kiedyś kierowali Bulović, Reif i proboszcz Martin Schmidt. Ale tutaj, mówi Bulović, sprawy będą bardziej otwarte.

Bulović wspomina, jak kilka lat temu odwiedził go reżyser filmowy, który powiedział: „Wiesz, Władimir, tu na MIT, jesteście trochę jak kocioł tajemnicy”. Rzeczy po prostu wyskakują z kotła, ale tak naprawdę nie wiemy, co to jest zupa. Pokaż nam zupę! W tym duchu, mówi Bulović, wszędzie są okna.

Chcemy mieć pewność, że możesz zajrzeć do środka, mówi. Nie zrozumiesz dokładnie, co się dzieje, ale zobaczysz aktywność. Zobaczysz ludzi oddanych swojemu rzemiosłu i będziesz podziwiać, jak to robią, X, Y lub Z.

Równie ważne, jak mówi, jest to, aby ludzie w czystych pomieszczeniach i innych laboratoriach mogli wyjść na zewnątrz. Zapewniamy, że możesz wyjrzeć na zewnątrz MIT.nano i zobaczyć migotanie brzóz i kołysanie się bambusa, mówi. Istnieje świat na zewnątrz, który zależy od tego, czy rozwijasz rzeczy, które mają znaczenie.

ukryć