211service.com
Nanotråde, der opfører sig som celler
Forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory har forseglet silicium-nanowire transistorer i en membran svarende til dem, der omgiver biologiske celler. Disse hybridenheder, der fungerer på samme måde som nerveceller, kan bruges til at skabe bedre grænseflader til protetiske lemmer og cochleære implantater. De kan også fungere godt som biosensorer til medicinsk diagnostik.
Hybrid nanotråd: Siliciumnanotråden vist på mikroskopbilledet (øverst) er dækket af en fedtmembran svarende til dem, der omgiver biologiske celler. Det nederste billede er en illustration, der viser de to lag af lipidmolekyler, der omgiver nanotråden og forsegler den fra det omgivende miljø. Ioner kan passere gennem membranen via en ionkanal, her afbildet i lavendel.
Biologisk kommunikation er sofistikeret og forbliver uovertruffen i nutidens elektronik, som er afhængig af elektriske felter og strømme. Celler i den menneskelige krop bruger mange yderligere kommunikationsmidler, herunder hormoner, neurotransmittere og ioner såsom calcium. Sammenhængen mellem biologisk kommunikation er cellemembranen, et dobbeltlag af fede molekyler besat med proteiner, der fungerer som gatekeepere og udfører de første trin i biologisk signalbehandling.
Aleksandr Noy , en kemiker ved det nationale laboratorium, gav silicium nanotråde en cellemembran i håbet om at lave bedre bioelektronik. Hvis man kan få moderne mikroelektronik til at tale med levende organismer, kan man lave mere effektive proteser eller nye typer biosensorer til medicinsk diagnostik, siger Noy. For eksempel, hvis elektroderne, der forbinder en proteseanordning med nervesystemet, kunne læse kemiske signaler i stedet for kun elektriske, kan den person, der bærer det, have bedre kontrol over protesen.
Noy startede med at lave arrays af silicium-nanowire-transistorer - rækker af 30 nanometer-diameter ledninger afgrænset i hver ende af elektriske kontakter - ved hjælp af metoder udviklet af andre forskere. Arrays blev anbragt i en mikrofluidisk enhed. Noys gruppe brugte mikrofluidikken til at levere hule kugler af fede membranmolekyler. Kuglerne tiltrækkes af de negativt ladede overflader på nanotrådene, hvor de akkumuleres og smelter sammen til en sammenhængende membran, der fuldstændigt forsegler hver nanotråd, ligesom en biologisk membran forsegler indholdet af en celle. Bare nanotrådtransistorer udviser en målbar ændring i deres elektriske egenskaber, når de udsættes for sure eller basiske opløsninger; det gør de membranbeskyttede nanotråde ikke, fordi det fedtholdige lag lukker den barske opløsning ud – ligesom en biologisk cellemembran.
For at give de belagte nanotråde elektriske porte - i det væsentlige et middel til at få dem til at reagere på det omgivende kemiske miljø - tilføjede Noy proteiner for at danne ionkanaler, som styrer strømmen af ladede atomer og molekyler over cellemembraner. Når de sættes i opløsning med nanotrådene, indsætter disse proteiner sig selv i membranen. Noys gruppe testede enhederne med to typer ionkanaler: en, der altid tillader små, positivt ladede ioner at passere igennem, og en, der kun gør det som reaktion på en spændingsændring, der kan produceres af nanotråden. Dette spændingsfølsomme protein bruges ofte til at efterligne nervecelle-elektriske signaler. Nanotrådene med ionkanaler var i stand til at mærke tilstedeværelsen af ioner i opløsningen. Ved at bruge nanotråden til at skabe en spændingsforskel over membranen, kan det spændingsfølsomme protein åbnes og lukkes, hvilket effektivt gør det muligt for nanotråden at slå sin kemiske sansningsevne til eller fra. Neuronen er en god analog på nogle måder, siger Noy om disse enheder.
Noys arbejde, beskrevet i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , åbner nye veje, fordi det gør nanotrådene mere som celler, siger Yi Cui , assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University. Med Charles kære , en kemiker ved Harvard University, Cui har lavet silicium nanotråde til meget følsomme sensorer ved at belægge nanotrådene med antistoffer. Sensorerne kunne for eksempel detektere blodproteiner, der er karakteristiske for kræft. Noys arbejde, siger Cui, er en virkelig kreativ måde at integrere en transistor med en cellemembran på. Ved at belægge nanotrådene kan Noy drage fordel af alt, hvad biologiske cellemembraner har at tilbyde, inklusive evnen til at fornemme og reagere på spændingsændringer, såvel som ioner, proteiner og andre biomolekyler. Denne række af funktionalitet kan ikke opnås med antistoffer, siger Cui.
Dernæst planlægger Noy at udvikle mere sofistikerede nanotråd-hybrid-enheder. Hidtil har hver enhed kun været udstyret med én type ionkanal, hvilket begrænser kompleksiteten af de funktioner, de kan udføre. (Biologiske celler er belagt med mange forskellige membranproteiner.)
Forskerne vil også begynde at teste enhedernes interaktioner med levende celler. Andre forskere, bl.a Peidong Yang ved University of California, Berkeley og Harvard's Lieber, har brugt nøgne siliciumnanotråde til at interagere med neuroner, stamceller, hjerteceller og andet væv. De har vist, at nanotrådene kan sende og modtage elektriske signaler med meget høj rumlig opløsning, selv inden for enkeltceller. Noys indledende arbejde forbliver et proof of concept.