Электроток и днк меняют развитие жизни на проводах
Про соединение живых клеток и электроники в том либо другом виде учёные рапортовали неоднократно. Но всё время их точил червь сомнения — а как переносит такое вмешательство сама клетка? Сейчас исследователи обучились делать контакты органичной частью живого. «Это первый пример нанопроводов, подсоединённых к биологическим клеткам без применения внешней силы», — утверждает основной создатель этих необыкновенных опытов.
Итак, учёные создали разработку, которая разрешает вживить кремниевые нанопровода в живую клетку без видимого вреда для последней. Эта техника может употребляться, дабы подключать клетки друг к другу и связывать их с разными электронными устройствами.
Необыкновенные испытания совершили Пэйдун Ян (Peidong Yang), сотрудник американской национальной лаборатории в Беркли (Berkeley Lab), доктор наук химического факультета университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley), Вон Ким (Woong Kim) и Мики Кунитейк (Miki Kunitake) из научной группы Яна (Peidong Yang Group) в сотрудничестве с исследователями из университета кардиоваскулярных болезней Гладстона (Gladstone Institute of Cardiovascular Disease) — Дженнифер Нг (Jennifer Ng) и Брюсом Конклином (Bruce Conklin).
Ян, к слову, знаком читателям «Мембраны» по светящимся нанонитям и нановолноводам.
Эмбриональная стволовая клетка мыши, выросшая на колючей поверхности из кремниевых нанопроводов. Любой таковой провод имеет диаметр 6 и длину микрометров 90 нанометров (фото Peidong Yang et al).
В этом случае экспериментатор решил заняться проблемой аккуратного подключения клеток к электронике, либо напротив. В случае если учёные хотят приобретать какие-то параметры работы клетки либо вынудить её что-то делать, хорошо было бы устранить негативные последствия вмешательства. Но как воткнуть электрод в клетку, не повредив мембрану?
Возможно, само собой разумеется, придумать что-то наподобие наноиглы, которая минимизирует ущерб легко благодаря малому собственному диаметру, но Ян отыскал выход уникальнее. Не требуется никуда ничего вводить — с целью достижения искомой цели требуется только вырастить сами клетки около россыпи электродов.
Это Ян и выполнил — создал подложки с близко (как будто бы лес) стоящими нанопроводками и принялся культивировать на этих подложках клетки. В этом случае — эмбриональные стволовые клетки мышей. Они вырастали так, что заключали в себя сходу по паре нанопроводов, иногда «протыкавших» их полностью.
Потому, что процесс для того чтобы соединения шёл естественным образом, клетки, казалось, не обращали «особенного внимания» на чужеродные тела.
Подложка с нанопроводками не помешала клеткам развиваться. На отдельных пластинках учёные культивировали тысячи клеток (фото Peidong Yang et al).
Кстати, кремниевые нанопровода были синтезированы химическим осаждением пара — над данной разработкой его группа и ян трудились много лет. В этом способе золотые частицы нанометрового размера являются катализатором, вызывающим формирование миллионов нанопроводов на подложке. Размер частиц золота воздействует на диаметр получающихся проводов.
В то время, когда эти проводки выясняются на воздухе, на их поверхности появляется узкий слой кварца (диоксид кремния). А это принципиально важно для предстоящей работы нанопроводов с клеткой: «Кварц владеет хорошей совместимостью с внутренней средой и мембраной клетки клетки, — говорит Ян. — Помимо этого, кремний — проводник, что разрешает нам подавать в клетку электрический ток».
Кроме этого, отмечают исследователи, такие проводки смогут иметь длину в тысячу раза больше собственного диаметра, оставаясь наряду с этим достаточно жёсткими и прочными для механических манипуляций с ними.
Но для чего по большому счету необходимо такое выращивание? Дело в том, что новая техника может стать прообразом разработки культивирования из стволовых клеток нужных тканей организма — для биологических изучений и в медицинских целях. Причём, как выяснилось, нанопровода разрешают учёным руководить процессом разделения стволовых клеток.
Пара мышиных клеток, пронизанных кремниевыми электродами (фото Peidong Yang et al).
Кроме экспрессии определённых генов, на такую разделение смогут воздействовать «сигналы» внешней среды: физические, химические либо электрические. Последними и заинтересовались исследователи.
«Руководя электрическим током через снабжённую электродами стволовую клетку, изменяя его мощность, мы можем руководить разделением клетки», — говорит Ян. Тут-то именно крайне важно вживить проводки в клетку, не повредив её. А клетки, каковые выращивали его коллеги и ян, замечательно жили на поверхности подложки-ежа более месяца.
Наряду с этим клетки, использованные в опыте, находились в ходе превращения в клетки сердечной мускулы, что потом и происходило. Развиваясь, клетки начинали биться как сердце.
Чтобы лучше разглядеть, как клетки интегрируют в себя нанопроводки, авторы опытов генетически запрограммировали культивированные клетки на синтез зелёного флуоресцентного белка (GFP). Так что на снимках под микроскопом бессчётные тёмные точки нанопроводков были отчётливо видны на фоне «пылающих» зелёным клеток.
По окончании клеток мыши Ян перешёл к клеткам человека. Выращенные на таком же «еже» эмбриональные почечные клетки взяли по два-три кремниевых нанопровода, причём в серии опытов были использованы нанопровода диаметра и разной длины. Протяженность их колебалась от 3 до 6 микрометров, а диаметр имел три значения — 30, 90 и 400 нанометров.
Не смотря на то, что все полученные эти ещё не систематизированы, уже ясно, что срок судьбы клетки с проводами в зависит от геометрических размеров и плотности размещения проводов.
Флуоресцирующие клетки мыши (вид сверху) прекрасно показывают точки проникновения проводов (фото Peidong Yang et al).
Но в любом случае жизнь с таким необычным наполнением открывает перед учёными занимательные возможности по экспериментированию с клеткой. Так Ян со товарищи обучились поставлять при помощи этих нанопроводов определённый генетический материал к определённым органоидам в пределах клетки.
Так, в одном из опытов они покрыли поверхность нанопроводов плазмидами (маленькими линейными либо закольцованными молекулами ДНК, служащими дополнительными генетическими «руководствами», расположенными вне ядра клетки). Эти плазмиды кодировали синтез всё того же белка GFP.
Потом учёные начали разводить человеческие эмбриональные почечные клетки на собственной игольчатой подложке. Через сутки кое-какие из клеток начинали светиться зелёным, показывая, что генетический материал попал по назначению. Ян говорит, что эта техника в принципе разрешает вводить ДНК в определённые участки клетки с точностью до 50 нанометров.
Кроме того, при помощи комплекта всё тех же нанопроводов, около которых вырастает клетка, учёные смогут приобретать данные о её функционировании либо брать пробы из определённых участков клетки, в общем — не только руководить развитием, но и наблюдать — что в следствии получается. Обо всём этом Ян с сотрудниками написали (PDF-документ) в издании Американского химического общества (American Chemical Society).
Новый инструмент для биологических и медицинских изучений в будущем, кто знает, может стать и инструментом для разработки клеточной терапии.
