Исследователи из США разработали
наноразмерную электронную пробу, которая может проникать в клетки, не
повреждая их. Новая проба может стать заменой существующих технологий,
предназначенных для измерения электрических и химических изменений
внутри, вне и на поверхности самой клеточной мембраны.
Измерение электрической или химической активности, как, например,
открытие или закрытие ионных каналов клеточных мембран с семидесятых
годов ХХ века проводится методом «зажима заплатки» («patch clamp»). Эта
методика заключается в том, что участок мембраны фиксируется в носике
стеклянной пипетки, в которой расположен электрод. Чарльз Либер (Charles
Lieber) из Гарварда, возглавлявший исследования, отмечает, что
существующая методика достаточно производительна и точна, однако диаметр
входного отверстия пипетки не может превышать 100 нанометров, что
приводит к повреждению клеток при измерении и ограничивает разрешение
существующего метода.
Либер отмечает, что исследователям из его группы показалось
необычным, что существующие в настоящее время достижения цифровой
электроники так и не были использованы для разработки новых систем для
измерения электрических свойств биологических объектов, объясняя, что,
возможно, это может быть связано с том, что электронные компоненты
обычно имеют линейное строение и ограничены соответствующей
поверхностью – размещение двух относительно больших контактов с любой
стороны клетки не позволяет разместить линейную систему в клетке, не
повредив при этом биологический объект.
Для проведения неинвазивных измерений клеточных свойств группе Либера
разработаны V-образные кремниевые нанопровода, на конце которых
размещен наноразмерный полевой транзистор [field effect transistor
(FET)]. У полевого транзистора в результате внешнего воздействия, как,
например, варьирования электрического поля клетки или градиента
концентраций химических веществ, изменяется электропроводность, что
позволяет использовать новые системы в качестве сенсоров. Пробы
размещены на гибкой полимерной подложке, которая закручена таким
образом, что пробы достаточно легко могут приблизиться к клеткам.
Нанесение на щуп сенсора двойного липидного слоя позволяет сенсору
беспрепятственно проникать через мембрану клетки.
Датчики, предназначенные для изучения клеток, созданы из растущих
кремниевых нанопроводов; использование этих датчиков происходит в
соответствии с методом, ранее разработанным в группе Либера, и
позволяющим осуществлять рост нанопроводов таким образом, чтобы на нем
образовывались петли с углом изгиба 120°. Исследователи также могут
изменять электронные свойства нанодатчика, изменяя состав материалов, из
которых он состоит. Так, те участки датчика, которые должны обладать
высокой электропроводностью, в большей степени легированы фосфором, но
при этом сам щуп пробы, на котором должен находиться полупроводящий
нанотранзистор, содержит меньшую концентрацию легирующего агента.
На настоящий момент в группе Либера продемонстрировано, что новые
сенсорные системы могут измерять изменения электрического потенциала и
изменения рН внутри и снаружи клеточной мембраны, а также на самой
мембране, однако существует принципиальная возможность использовать
сенсорную систему нового типа для слежения за концентрациями других
участников биохимических процессов.
Рис.1. Слева: трехмерное изображение пробы на основе наноразмерных
проводов, желтая стрелка указывает на место локализации наноразмерного
полевого транзистора. Справа: новая проба может свободно проходить через
двойной липидный слой, не повреждая ни его, ни клетки. (Рисунок из
Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1192033).
Результаты исследований представлены в статье: Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1192033.
По материалам:
