Et kig inde i MIT.nano

To etager under jorden i MITs nyeste bygning, to biologipostdocs og en kandidatstuderende er samlet omkring en computerskærm, der viser en grå baggrund plettet med små kruseduller og et par mørke klatter. Squiggles er diaphanous strenge af proteiner. Klapperne er små sammenhopninger af is, der blev dannet, da forskerne flash-frosset proteinerne for at låse op for hemmeligheder, som deres tråde har gemt i hundreder af millioner af år.

Proteintrådene er mindre end 50 nanometer i højden og bredden. De vises på skærmen, fordi de bliver undersøgt af et kryo-EM - et kryogent elektronmikroskop - i det næste rum.

At komme til dette punkt kræver lidt held, fordi proteinerne kan blive tilsløret eller helt tabt under frysningsprocessen. Forskere kan tilbringe dage i dette kælderrum, hvor næsten ingen brugbare billeder kommer op på skærmen.

Nu hvor forskerne har været så heldige at se så mange krumspring, er deres næste trick at få øje på de få, der er værd at studere nærmere. I levende celler danner disse proteinstrenge en Y-form. At Y er en afgørende komponent i det, der kaldes kerneporen, som bestemmer, på måder, vi stadig ikke forstår, hvad der kan rejse ind og ud af en celles kerne. Proteinerne har dog sjældent den Y-form på skærmen. Lige før de er indkapslet i det islag, der lader dem scannes af cryo-EM, har armene og stilken på hver Y en tendens til at gå nuttede. Den ene arm kan være bøjet bagover, mens den anden dingler til siden. Flere Y'er eller bidder af dem klumper sig ofte sammen.

Så i dag leder kandidatstuderende Sarah Nordeen tålmodigt efter en, der er i form af et definitivt rent og klart Y.

Jeg ser en - en smuk, siger hun. Anthony Schuller, en postdoc-strukturbiolog, der betjener computeren, zoomer lidt tættere på den krølle, hun angiver. Med et par museklik beder han cryo-EM'en om at tage nærbilleder, som Nordeen kan analysere senere. Hvis hun kan få nok af disse pænt bevarede Y'er, kan hun til sidst kombinere dem for at producere en 3D-gengivelse af denne struktur - hvilket vil hjælpe hende og andre videnskabsmænd til bedre at forstå, hvordan den fungerer som en gatekeeper inde i celler.

Biologiprofessor Thomas Schwartz ledede indsatsen for at opnå MIT's cryoEMs, som giver forskere mulighed for at se billeder mindre end 3 ångstrøm. Bob O'Connor

Dette er livet i MIT.nano, et anlæg, der åbnede sidste efterår i skyggen af ​​Great Dome. Med to kryo-EM-maskiner og andet udstyr, der vil blive installeret i de kommende år, vil forskere inden for en bred vifte af discipliner modellere, bygge og reparere ting i atom- og molekylskala.

Nogle videnskabsmænd vil bruge MIT.nano til at udvikle mere robuste qubits til kvantecomputere. Andre kan pille ved den molekylære sammensætning af anoder og katoder, så de ikke flosser, hvilket forlænger batteriernes levetid. Atter andre grupper håber at skabe materialer, der er optimeret til specifikke funktioner, ved at skræddersy deres molekylære strukturer til at gøre ting som at lede elektricitet mere effektivt, skabe mere skinnende farver på computerskærme eller dispensere målrettede lægemidler i blodbanen. MIT.nano vil endda have et kunstprogram i nanoskala. Kunstnere kan bruge materialer, der er genereret af MIT.nano-forskere, eller drage fordel af værktøjer i bygningen til at udøve præcis kontrol over, hvordan objekter flimrer, føles eller lugter.

Alle disse applikationer er mulige på grund af bedre og bedre teknikker til billeddannelse af materialer på atomniveau. Vi laver nye måder at se på, og så ser vi nye måder at lave på, sagde præsident L. Rafael Reif ved MIT.nano-lanceringsceremonien i oktober.

For at drive det tværfaglige aspekt af det hele hjem, vil intet fakultet have kontorer i MIT.nano-bygningen på 400 millioner dollars; kun et par dusin medarbejdere, der vil føre tilsyn med udstyret, vil være baseret der. Mikroskoperne, rene rum og fabrikationsfaciliteter er beregnet til at blive brugt af folk fra afdelinger over hele campus. Den dedikerede plads betyder, at nyt udstyr ikke skal kiles ind i allerede pakkede laboratorier, og flere versioner af kritiske maskiner kan køres samtidigt uden fare for krydskontaminering, hvilket udvider kapaciteten til forskning. Det betyder også, at forskere vil have adgang til avanceret udstyr, der ville være for dyrt at køre og vedligeholde i deres egne laboratorier - og det vil ikke sidde inaktivt, når de ikke bruger det.

Biologi-kandidatstuderende Sarah Nordeen påførte en lille prøve af gærkernepore Y-kompleks på et tre-millimeter prøvestøttegitter og frøs proteinerne ned i et lag glasagtig is til cryo-EM-analyse. Bob O'Connor

Kigger på proteiner

I flere måneder efter åbningen var det meste af MIT.nano tomt. Anlægget - Bygning 12, lige ud for Infinite Corridor i hjertet af campus - var ikke desto mindre imponerende, en slank glas- og stålkonstruktion, der ser ud på en gangbro med bambus- og birketræer. (Den kaldes Improbability Walk til ære for den afdøde institutprofessor og nano-pioner Mildred Dresselhaus, som engang beskrev sin egen karriere som usandsynlig i betragtning af hendes beskedne begyndelse.) Men hvis man kiggede ind, kunne man se rene rum og laboratoriepladser vente på at blive brugt. Det tager tid at overføre nogle af MITs mest avancerede værktøjer til at observere og bygge ting i nanoskala fra Building 39, hjemsted for Microsystems Technology Laboratories, og at identificere – og skaffe midler til – nyere udstyr, der er værd at investere i.

Nogle MIT-milepæle inden for nanoteknologi

• 1959

  I There's Plenty of Room at the Bottom, en tale på Caltech, ser Richard Feynman ’39 årtier frem til den dag, hvor videnskabsmænd kan arrangere atomerne, som vi vil, og skabe nyttige maskiner på nanoskala.

• 1960

  MIT's Semiconductor Electronics Education Committee er dannet.

• 1968

  Microlab åbner i bygning 13.

• 1972

  Henry Smith og D.L. Spears foreslår at bruge røntgenlitografi til at fremstille siliciumkredsløb med funktioner i nanoskala.

• 1984

  MTL (Microsystems Technology Labs) åbner i bygning 39.

• 1992

  Mildred Dresselhaus og kolleger forudsiger, at man kunne lave enten halvledende eller metalliske kulstofnanorør ved at ændre deres geometri lidt. Hun begynder også at forske i måder at udnytte den termoelektriske effekt på nanoskala og lancere et nyt felt.

• 1993

  Moungi Bawendis gruppe opfinder en måde at syntetisere nanokrystaller eller kvanteprikker på.

• 1994

  Robert Langer, ScD '74, og hans kolleger bruger nanomolekyler til at levere lægemidler mere effektivt og med færre bivirkninger.

• fortsættes nedenfor

Bortset fra de travle bachelor-kemi-laboratorier på øverste etage af bygningen, var den tidlige handling på MIT.nano i kælderen. For at tillade cryo-EM'er og lignende instrumenter at virke, har kælderen specielle rum, der er afskærmet mod elektromagnetisk stråling - du kan ikke få et mobiltelefonsignal - og udstyret med platforme, der udligner vibrationer fra bygningen og verden udenfor. En cryo-EM-maskine koster omkring 5 millioner dollars; rummet, der rummer det, er yderligere tre eller fire mio. At have to på campus er en velkommen forandring. Før MIT.nano åbnede, måtte MIT-forskere låne tid på ældre modeller af cryo-EM'er på andre institutioner.

Forskere har kigget på tingene i denne skala i meget lang tid. Røntgenkrystallografi opstod for eksempel for et århundrede siden. Det var det, der gjorde det muligt at bestemme strukturen af ​​DNA i 1953. Kernemagnetisk resonansspektroskopi, som kan bruges til at fastslå en forbindelses atomare struktur, og elektronmikroskoper, som affyrer en elektronstråle mod et objekt og måler, hvordan de spredes, var udviklet i 1950'erne. I 1980'erne kom scanning-tunnelmikroskoper, som kan afbilde individuelle atomer i et ledende materiale. STM'er virker ved at svæve en ultraskarp spids lige over prøven og måle strømmen af ​​elektronerne, der tunnelerer fra spidsen til materialet. Så kom atomkraftmikroskopet, som har endnu højere opløsning. Det kan skubbe og fremkalde atomer og molekyler, såvel som vidne til aktivitet i ikke-ledende prøver, inklusive levende celler.

Hvor imponerende disse metoder end er, har de været blinde for en enorm mængde biologisk materiale, hvoraf meget ikke egner sig godt til at blive krystalliseret eller bombarderet med store mængder energi. Cryo-EM'er, baseret på gennembrud, der vandt Nobelprisen i kemi i 2017, har vist sig at være særligt nyttige til at undersøge meget detaljeret de klæbrige ting inde i celler.

Selvom cryo-EM-teknologien begyndte at dukke op i 1980'erne og 1990'erne, er den blevet markant bedre i de seneste par år. Forbedringer i kamerateknologier har gjort det muligt for forskere at forbedre opløsningen fem eller ti gange: cryo-EM'er kan nu opløse billeder mindre end 3 ångstrøm. (En ångstrøm, en tiendedel nanometer, er diameteren af ​​et brintatom.) Og billedet skulle blive meget skarpere inden længe. Teknikkens teoretiske grænser er endnu ikke ramt, og teknologier, der nu er under udvikling, kan begrænse den skade, elektronstrålerne i disse maskiner påfører de prøver, der undersøges, siger Edward Brignole, der overvåger cryo-EM'erne i MIT.nano.

Ved beregningsmæssigt at fusionere billeder af ~1 million enkelte proteiner håber Sarah Nordeen og Anthony Schuller at opnå en 3D-atomstruktur for komplekset. Nordeens forudsagte 3D-model for komplekset er vist her.

Det Y-formede protein, der analyseres i MIT.nano, kom først til syne for omkring et årti siden, takket være krystallografi og andre teknikker. Det var en afgørende start for at finde ud af, hvad det gør i den nukleare pore, da et proteins funktion er dikteret af de strukturer, der naturligt dannes af dets kæder af aminosyrer. Men kun med de værktøjer, der er tilgængelige nu, kan videnskabsmænd se både Y'et selv og de forbindelser, det skaber til andre underenheder af den nukleare pore.

For en fornemmelse af, hvor lille skalaen er her, skal du overveje, at Y-strukturen kun består af omkring 100.000 atomer, ifølge Thomas Schwartz, MIT-strukturbiologen, hvis laboratorium omfatter Nordeen og Schuller. Hvis vi bedre forstod, hvordan det passer sammen med de andre stykker, kunne vi lære, hvordan poren tillader, for eksempel, messenger-RNA at komme ud af kernen og proteiner for at komme ind. Vi kunne også finde ud af, hvorfor dens gatekeeping-metoder ikke er idiotsikre . Hvordan kommer nogle vira ind i kernen, hvor de replikerer? Er der en måde at stoppe det på?

Andre biologer, der skiftes til cryo-EM'erne, har andre spørgsmål. Postdoc Xue Fei bruger det til at studere proteiner, som bakterier bruger til at bortskaffe affald. Kacper Rogala, en postdoc ved Whitehead Institute for Biomedical Research, som er tilknyttet MIT, undersøger individuelle stykker af mTOR-vejen. Det er en signalmekanisme, der regulerer cellernes stofskifte. Det har været forbundet med kræft og lang levetid, og måske vil det være muligt at udvikle lægemidler, der retter sig mod meget specifikke interaktioner i denne vej frem for hele sagen.

MITs to nye kryogene elektronmikroskoper, kendt som cryo-EM'er, er anbragt i MIT.nano på platforme, der udelukker miljøvibrationer. Bob O'Connor

Fra at se til at transformere

Vi er bare i de meget tidlige, tidlige, tidlige dage med at udnytte mulighederne i nanoskalaen, siger Vladimir Bulović, ingeniørprofessoren, der er direktør for MIT.nano. Vi sidder på hans hjemlige kontor med højskabe, planter og et sofabord af træ i bygning 13, nede ad gangen fra en nyåbnet korridor, der forbinder til en øverste etage på MIT.nano. Han forklarer, hvorfor det udstyr, der i sidste ende vil fylde bygningen, vil lægge grunden til applikationer, vi ikke nødvendigvis kan forestille os endnu.

• 1999

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

• 2002

  Linda Griffith og kolleger skaber biologiske vævsstrukturer på silicium, leveren på en chip.

• 2006

  Karl K. Berggren og kolleger demonstrerer en nanowire-enhed, der er i stand til at detektere en enkelt foton.

• 2009

  Angela Belcher og hendes team bruger genetisk modificerede vira til at bygge nøglekomponenterne i et lithium-ion-batteri.

• 2014

  Scott Manalis, Belcher og Bhatia demonstrerer en enhed, der måler massen af ​​enkelte nanopartikler med høj nøjagtighed.

• 2014

  Vladimir Bulovic, Marc Baldo og kolleger forestiller sig en exciton, en kvasipartikel, der er ansvarlig for overførsel af energi på nanoskala. Excitonen er afgørende for solceller, LED'er og halvlederkredsløb.

• 2018

  Paula Hammond ’84, ph.d. ’93, og kolleger designer nanopartikler, der krydser blod-hjerne-barrieren hos mus for at levere kræftmedicin.

Bulović har udført banebrydende arbejde med materialer som kvanteprikker, halvlederpartikler i nanostørrelse, der er nyttige i high-definition tv'er, solceller og biologisk forskning. De udnytter kvantemekanikken på måder, der ikke direkte kunne observeres, før scanningstunnelmikroskopet blev opfundet i 1980'erne. Men som Bulović påpeger, tog det lang tid, før netop det gennembrud inden for visualisering blev brugt i produkter. I starten brugte vi vores tid på bare at være glade for at se atomer, siger han. Beherskelsen over atomerne kom langsomt. I 1993 lykkedes det for IBM-videnskabsmænd at samle atomer i konfigurationer, der manipulerede elektronernes adfærd. Men det var først i 2000'erne, siger Bulović, at forskerne blev dygtige til at udnytte STM's observationsevner til design af specifikke materialer.

Nu forventer han at se en lignende proces udfolde sig i MIT.nano, hvor maskiner, der generelt har været brugt til højt specialiserede eksperimenter, bliver færdige værktøjssæt til bredere brug.

En af professorerne, der går fra at se til at lave, er Farnaz Niroui, SM ’13, PhD ’17, som netop er kommet til ingeniørfakultetet. Hun er i stand til præcist at kontrollere, hvordan elektroner interagerer med hinanden inde i materialer designet på nanoskala. Det danner grundlaget for enheder, der er meget mere energieffektive, end vi har i dag. I mellemtiden dokumenterer professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab Frances Ross og hendes kolleger præcis, hvad der sker, når visse slags ledende molekyler selvorganiserer sig til nanotråde. Hvis en sådan indsigt gør det muligt at dyrke ledninger inde i nye materialer, hvem ved, hvilke elektroniske enheder der bliver lavet ud af dem?

For at give et andet eksempel rækker Bulović ud efter et stykke plastik med sorte rektangler på. Det er en prototype af en fleksibel, men ultraeffektiv type solcelle, der absorberer flere bølgelængder af lys, end nutidens fotovoltaiske enheder gør. At lave det har krævet forskerne at pille ved de molekylære egenskaber af mineraler kendt som perovskiter, som kan høste solenergi. Bulović siger, at folk, der går forbi MIT.nano i de kommende år, måske kigger ind og ser videnskabsmænd smøre perovskit-rige pastaer på plastikplader, mens de forsøger at perfektionere teknologien.

MIT.nano direktør og ingeniørprofessor Vladimir Bulović. Bob O'Connor

Bulović nævner denne mulighed for at fremhæve den ren-energi forskning, der forfølges gennem MITs tværfaglige programmer såsom GridEdge Solar, som har til formål at opskalere produktionen af ​​lette, fleksible solceller. Men han bringer det også op for at bemærke MIT.nanos gennemsigtige karakter. Meget af det, der vil ske indeni, bortset fra den biologiske forskning, vil være en fortsættelse af arbejdet, der har været aktivt i årevis i Microsystems Technology Labs - en afdeling, som Bulović, Reif og prost Martin Schmidt hver en gang ledede. Men her, siger Bulović, vil tingene være mere åbne.

Bulović husker, at han blev besøgt for flere år siden af ​​en filminstruktør, der sagde: I ved, Vladimir, I fyre her på MIT, I er lidt som en kedel af mystik. Ting springer ligesom ud af kedlen, men vi ved ikke rigtig, hvad suppen er. Vis os suppen! Det er i den ånd, siger Bulović, at der er vinduer overalt.

Vi vil gerne sikre os, at man kan kigge ind, siger han. Du vil ikke forstå præcis, hvad der sker, men du vil se aktivitet. Du vil se folk dedikeret til deres håndværk, og du vil undre dig over, hvordan de gør, X, Y eller Z.

Lige så vigtigt, siger han, er det, at folk inde i rene rum og andre laboratorier kan se ud. Vi sørger for, at man kan kigge uden for MIT.nano og se birkernes glitren og bambusens svaj, siger han. Der er en verden udenfor, der afhænger af, at du udvikler ting, der betyder noget.

skjule