Шелкопряд помог сплести исчезающее оптоволокно
Коконы тутового шелкопряда – неповторимая находка человека, обеспечившая ему появление ласковой и шикарной ткани. Но американские учёные нашли прочному и натуральному волокну второе использование. По окончании несложной обработки его возможно применять в качестве оптических устройств, использование которых окажет помощь медицине безопасно осуществлять контроль многие процессы в живом организме.
Коконы тутового шелкопряда доставляют в Америку из Японии. Большая часть из них уходит на производство одежды и шёлковых тканей, но часть достаётся и научным группам.
Биоинженер Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из американского университета Тафтс в один раз задумался над вторыми вероятными применениями прочных протеиновых волокон, каковые навивают около себя гусеницы.
Мысль создания оптических устройств на базе шёлка показалась у Фьоренцо, в то время, когда он вёл совместную работу со своим соседом по этажу доктором наук Дэвидом Капланом (David Kaplan), занимающимся созданием из белков шёлка разных каркасов для биологических тканей.
Оменетто, будучи физиком, скоро осознал, что в случае если из нитей тутового шелкопряда (по окончании соответствующей обработки) возможно создать заменитель роговицы глаза, то из-за чего бы не применять эту же разработку для особенного оптоволокна?
Ранее Оменетто и его сотрудники разрабатывали сенсоры на базе шёлка, каковые были чувствительны к бактериям E.coli и вредным веществам в пищевых продуктах. Но, поработав с Капланом, учёный увлёкся оптическими свойствами и шёлковыми волокнами фиброина (фото Porter Gifford).
Вместе с Капланом они продумали и создали разработку создания из шёлковых волокон оптических материалов, каковые стали базой для разных прочих устройств и биологических сенсоров.
Отчего же предпочтение отдаётся как раз шёлку? Во-первых, по причине того, что его волокна одни из самых прочных (среди натуральных материалов). Помимо этого, белки этого природного продукта растворяются в теле человека без каких-либо последствий для его здоровья.
Создание устройств на базе шёлка не требует обработки исходного продукта едкими и ядовитыми химическими соединениями, нет необходимости применять большие температуры (как при со различными пластиками и стеклом).
Как следствие, в ходе обработки к белкам шёлка возможно «пришить» другие биологические молекулы, каковые не выжили бы в агрессивной среде.
Такие встроенные вещества имели возможность бы трудиться годами. Не смотря на то, что, конечно же, всё зависит от долголетия и конкретных «свойств» того либо иного соединения, поскольку в любом живом организме идёт постоянное материалов и обновления клеток в связи с их биологическим изнашиванием.
На протяжении собственных изучений Фьоренцо узнал, что при всём наряду с этим трудятся «шёлковые» имплантаты не хуже, в противном случае и лучше собственных неестественных аналогов. (Смотрите интервью исследователя.)
О том, как как раз в лаборатории Оменетто создают природное оптическое волокно, говорит ведущий технолог Кармен Преда (Carmen Preda).
Дабы довести шёлковые волокна до нужного состояния, проводится пара этапов обработки нити, созданной гусеницей тутового шелкопряда (Bombyx mori).
В таком виде материал привозят к учёным. Нить в коконе возможно растянуть на длину 300-900 метров (фото Porter Gifford).
Сперва коконы разрезаются напополам, после этого оттуда удаляется мёртвая личинка. Половинки варятся в растворе карбоната натрия (щелочная среда). Делается это, чтобы растворился серицин, протеиновый компонент, склеивающий шёлковое волокно в кокон.
Это вещество удаляют не столько чтобы «размотать» нить, сколько из-за негативных последствий действия серицина на человеческий организм (приводит к нежелательным реакциям со стороны иммунной совокупности).
По окончании того как волокна высыхают, их растворяют в бромиде лития, после этого охлаждают и посредством шприца закачивают в особые картриджи, в большинстве случаев применяемые для диализа. Пакеты помешают в стакан с водой (так химики «вытягивают» из раствора соль – уходит через полупроницаемую мембрану картриджа).
В следствии всех этих операций в контейнера остаётся чистый вязкий раствор фиброина, очищенного белка шёлка. Данный материал и делается базой для будущих разработок Оменетто.
Слева: удаление серицина. Справа: Преда распределяет прозрачный раствор по картриджам для предстоящей очистки (фото Porter Gifford).
Сама по себе разработка получения фиброина не нова, её в том либо другом виде довольно часто применяют для получения из белка шёлковых волокон аминокислоты тирозина (её по сравнению с другими аминокислотами в фиброине намного больше).
Новизна данного изучения в том, какое использование протеину шёлка придумали американские исследователи.
Для Фьоренцо сиропообразную жидкость распределяют по пробиркам. Дабы создать оптический биосенсор, Оменетто додаёт к фиброину нужные чувствительные к тому либо иному компоненту вещества. «К этому водному раствору легко подмешать любое растворимое в воде соединение», — говорит учёный.
Трудится всё весьма легко. Волокно со встроенной молекулой (детектором кислорода, сахаров либо протеинов бактерий) меняет собственную структуру, в случае если в близи от неё появляется соединение-цель. В следствии изменяются физические особенности материала сенсора, в частности характеристики проходящего через него света (в частности, цвет).
Датчик фиксирует трансформации и интерпретирует их в информацию о соединении-цели.
Несложный пример: чувствительный к кислороду гемоглобин. Захватывая восьмой химический элемент, он будет поменять оптические характеристики волокна.
Совершенно верно так же в живом организме гемоглобин меняет цвет крови, цикл за циклом захватывая и отдавая кислород (различия артериальной и венозной крови видны кроме того невооружённым глазом).
Раствор фиброина пипеткой наносят на заготовку, через некое время прозрачный материал застывает, повторяя контуры как нано- так и макрообъектов (фото Porter Gifford).
Но, с разрабатываемыми биологическими сенсорами всё пара сложнее. Подметить трансформации на глаз удаётся весьма редко (да это и не требуется, поскольку точный итог всё равняется требует правильных расчётов и измерений).
Напомним, что гемоглобин – достаточно стабильный белок, что, без сомнений, упрощает работу с ним. Но биохимикам удалось сохранить активность и других, более «ласковых» соединений – ферментов.
В качестве показательного опыта несколько Оменетто встроила в волокна фиброина летучее соединение пероксидазу, приобретаемое из растений хрена (Armoracia) и довольно часто применяемое в разных тестах. После этого прекрасный результат был взят и с гексокиназой (энзимом, связывающим сахара).
Биохимики трудятся над повышением эффективности поглощения соединений-целей (по сути чувствительности сенсоров).
В будущем новую разработку собираются использовать в качестве имплантируемых биодеградирующих сенсоров, каковые смогут осуществлять контроль состояние больных, перенёсших операцию либо же имеющих хронические болезни, к примеру диабет (сенсор на глюкозу).
Но чтобы создать трудящееся устройство, мало фиброин чувствительными молекулами. Нужно создать из материала матрицу, имеющую наноразмерные элементы. Это принципиально важно для работы будущего сенсора, поскольку свет начнёт взаимодействовать с волокном лишь при условии соразмерности составляющих с длиной волны (для видимого света это диапазон в пределах 400-700 нанометров).
Дабы показать оптические особенности шёлкового белка (как мы уже сообщили, мало чем отличающегося от вторых оптических материалов), учёные создали матрицы с гемоглобином.
При помощи простой химической пипетки раствор разливается в особые формы, по окончании его оставляют высыхать при комнатной температуре в течение восьми часов. После этого полученные заготовки с опаской вынимают из формы щипцами.
Устройство является краснойпластину (цвет придают молекулы гемоглобина) с несколькими встроенными оптическими элементами, к примеру дифракционной решёткой, расщепляющей белый свет на составляющие. Любой из продемонстрированных тут квадратиков есть отдельным сенсором на кислород (фото Porter Gifford).
Получаются несложные сенсоры кислорода. По мере поглощения этого элемента из капли крови, нанесённой одним из учёных, пластинка меняет цвет. Как следствие, изменяются характеристики проходящего через сенсор света.
Их регистрирует фотодиод.
Ловить возможно и глюкозу, и маркеры онкологических болезней, и продукты, выдающие присутствие определённых бактерий.
Под действием вещества окраска крыла бабочки изменяется радикальным образом (кадр из видео с сайта technologyreview.com).
Но результатом всей данной работы станут не только лабораторные чувствительные элементы. Оменетто уже создал устройство, которое перенаправляет свет от поверхности кожи к сенсору и обратно, где его показатели считывает фотодетектор.
Такие структуры возможно будет вживлять по окончании операций по удалению опухолей (мониторинг повторного развития и развития осложнений патологических процессов), на протяжении тканей и трансплантации органов (для контроля над приживаемостью). Со временем сенсоры растворятся в организме, как хирургические нити и создаваемые Капланом каркасы биологических тканей.
В замыслах учёных создание сенсоров с более радикальной сменой цвета (заметной невооружённым глазом). На разработку таких устройств Фьоренцо вдохновили бабочки морфиды, у которых цвет крыльев определяется не пигментацией, а структурой микроскопических протеиновых палочек. Под действием молекулы-цели изменялись бы положение наноструктур и неспециализированный цвет сенсора.
По словам Оменетто, эта разработка – только вопрос времени, поскольку единственное препятствие на пути к таким более информативным сенсорам – это создание подходящих форм-заготовок.
