Биологическое образование в МФТИ
Rambler's Top100
Физтех-ПорталСайт ФМХФСайт ФБМФРасписание экзаменовЭлектричкиФорум ФМБФ
 Поиск
 Разделы сайта

 Голосование
Как вы оцениваете семинары по биологии, которые читаются студентам 1 курса?

Все отлично, надо оставить как есть
Все зависит от семинариста
Слишком много математики
На семинарах надо разбирать то, что осталось непонятным с лекций
Семинары вообще не нужны, достаточно лекций
Затрудняюсь ответить
Другое (оставьте сообщение на форуме факультета)

Результаты
Архив голосований
 Материалы сервера
Версия для печати
Опубликовано: 15.09.2010

3D-нанозонды творят чудеса


Оригинал статьи опубликован на сайте "Элементы"

Автор - Вера Башмакова

Мембранный потенциал — важнейшая характеристика живой клетки, поэтому точное измерение этого потенциала — одна из самых животрепещущих проблем современной биологии. Хотя кое-чего в этой области достичь удалось, с грустью приходится признать, что все существующие измерители, во-первых, не обладают достаточной точностью, а во-вторых, настолько портят жизнь клетке, что и сам потенциал ее мембраны из-за них может измениться. И вот недавно в журнале Science вышла статья, представляющая измеритель нового поколения — крохотный 3D-зонд на основе полевого транзистора, состоящий из силиконовой нанопроволоки.

p01

3D-зонд на основе полевого нанотранзистора, приближающийся к клетке (I), проникающий в клетку (II) и покидающий ее (III). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Полевые нанотранзисторы идеально подходят для измерения мембранного потенциала, поскольку они, во-первых, достаточно малы, а во-вторых — очень чувствительны к слабым токам. Но — увы! — практически все существующие нанозонды на их основе сделаны по планарной технологии — то есть транзисторы приклеены к подложке и не могут шевелиться. А ведь ученым хотелось бы создать 3D-зонд, который мог бы двигаться, которым можно было бы измерить мембранный потенциал не у первой попавшейся, а у выбранной клетки, который мог бы «подползти» к клетке с любого конца, который — чем черт не шутит! — мог бы исследовать целые трехмерные клеточные сети.

Однако создание такого зонда долгое время оставалось только мечтой — прежде всего потому, что размер полевого нанотранзистора определяется в первую очередь размерами его стока и истока, и было непонятно, как сделать их достаточно маленькими.

Всё изменилось, когда обнаружили, что если при выращивании силиконовой нанопроволоки (см. nanowire) изменить давление реагента, то проволока изогнется под углом 120°. Оказалось, что этот угол воспроизводим, то есть производство такой гнутой проволоки можно поставить на поток. Эту-то крохотную изогнутую проволочку ученые из Гарвардского университета и взяли за основу своего удивительного 3D-зонда.

Угол 120° — слишком тупой, и работать с ним неудобно. Поэтому первым делом ученые научились делать проволоки, изогнутые под углом 60° и 0°. Для этого вначале нужно было создать проволочки не с одним, а с двумя или тремя изгибами соответственно, а потом выбрать те из них, у которых кончики имеют цис-конфигурацию, то есть повернуты в одну и ту же сторону. Оказалось, что чем меньше расстояние между двумя изгибами, тем чаще получается цис-проволока. Обнаружив это, ученые смогли получать правильно изогнутые проволочки примерно в двух третях случаев.

p02

Схематичное изображение полевых транзисторов на основе силиконовой нанопроволоки. S (source) — исток, D (drain) — сток, nanoFET (nano field-effect transistor) — полевой нанотранзистор. У верхней и нижней проволочек два изгиба под углом 120°, а у средней — три таких изгиба. Верхняя и средняя проволочка подходят для дальнейшей работы, поскольку их кончики направлены в одну и ту же сторону (цис-конфигурация), а нижняя проволочка не подходит, поскольку ее кончики торчат в разные стороны (транс-конфигурация), и один из них неминуемо воткнется в клеточную мембрану. Голубые участки выращены с большим количеством легирующей примеси, и поэтому их проводимость высока относительно розового участка, который выращен с маленьким количеством примеси. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Когда техника выращивания «правильных» проволочек была достаточно отточена, пора было заняться созданием на их основе транзистора. Для этого «плечи» проволочки, которые будут играть роль стока и истока, исследователи выращивали с большим количеством легирующей примеси (см. doping), а участок возле самого изгиба, который играет роль затвора и которым транзистор будут макать в клетку, — с маленьким количеством. В результате проводимость в стоке и истоке относительно затвора увеличивается, и область затвора становится особенно чувствительна к малейшим изменениям потенциала.

Полученные транзисторы были слишком малы, чтобы ими можно было манипулировать, поэтому ученые «посадили» их на специальную несущую конструкцию. Теперь надо было подготовить зонд ко встрече с клеткой. Для этого поверхность транзистора покрыли тонким слоем фосфолипидов (они входят в состав клеточной мембраны). В результате, когда зонд касался клетки, покрывающие его фосфолипиды смешивались с липидами, образующими мембрану, и проникновение зонда в клетку проходило практически безболезненно.

p03

Погружение в клетку 3D-нанозонда с фосфолипидной смазкой. Темно-фиолетовым цветом показаны фосфолипидные слои, розовым — участок нанопроволоки с небольшим содержанием легирующей примеси, светло-фиолетовым — участок нанопроволоки с большим количеством легирующей примеси, а голубым — цитозоль. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Теперь предстояло выяснить, насколько хорошо работают полученные зонды. Для этого исследователи провели целую серию успешных экспериментов. Но самые сногсшибательные результаты были получены на клетках сердечной мышцы цыпленка. Оказалось, что зонд прямо-таки творит чудеса: едва коснувшись клетки, он измеряет потенциал на ее внешней поверхности; затем, начиная проникать сквозь мембрану, измеряет и наружный и внутренний потенциал; и наконец, оказавшись внутри клетки, показывают изменение потенциала на внутренней поверхности мембраны. При этом чувствительность зонда к малейшим колебаниям потенциала необычайно высока.

Эти результаты не единичны, а воспроизводимы — а значит, перед нами стабильный измерительный прибор, необычайно чувствительный и на редкость безвредный для клетки. Скорее всего, в ближайшее время производство таких 3D-зондов будет поставлено на поток.

Источник: Bozhi Tian, Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Xiaojie Duan, Ping Xie, Charles M. Lieber. Three-Dimensional, Flexible Nanoscale Field-Effect Transistors as Localized Bioprobes // Science. 2010. V. 329, P. 830–834.

Назад:
Уточнен механизм работы натрий-калиевого насоса
Далее:
Генетическая несовместимость нарастает по параболе

наверх | на главную
 Discuss it
  • Anonymous — силиконовые трубки (среднестатистический студент [178.176.216.4], 15.09.2010 19:19:49) #
    Вера! Очень хорошая статья. Спасибо. Есть одна маленькая ошибка. Силиконы - это кремнийорганические соединения, а нанотрубки кремниевые. Silicon - кремний, silicone - силикон. Сильно сомневаюсь, что можно сделать транзистор на силиконе. Хотя в быту штука полезная.
     
    Ответить
    • Anonymous — Ох уж эти женщины (Shwtt [93.175.1.76], 16.09.2010 13:12:16) #
      одно у них на уме
       
      Ответить
      Оставить свой комментарий