3D-нанозонды творят чудеса
|
Мембранный потенциал — важнейшая характеристика живой клетки, поэтому точное измерение этого потенциала — одна из самых животрепещущих проблем современной биологии. Хотя кое-чего в этой области достичь удалось, с грустью приходится признать, что все существующие измерители, во-первых, не обладают достаточной точностью, а во-вторых, настолько портят жизнь клетке, что и сам потенциал ее мембраны из-за них может измениться. И вот недавно в журнале Science вышла статья, представляющая измеритель нового поколения — крохотный 3D-зонд на основе полевого транзистора, состоящий из кремниевой нанопроволоки.
|
Полевые нанотранзисторы идеально подходят для измерения мембранного потенциала, поскольку они, во-первых, достаточно малы, а во-вторых — очень чувствительны к слабым токам. Но — увы! — практически все существующие нанозонды на их основе сделаны по планарной технологии — то есть транзисторы приклеены к подложке и не могут шевелиться. А ведь ученым хотелось бы создать 3D-зонд, который мог бы двигаться, которым можно было бы измерить мембранный потенциал не у первой попавшейся, а у выбранной клетки, который мог бы «подползти» к клетке с любого конца, который — чем черт не шутит! — мог бы исследовать целые трехмерные клеточные сети.
Однако создание такого зонда долгое время оставалось только мечтой — прежде всего потому, что размер полевого нанотранзистора определяется в первую очередь размерами его стока и истока, и было непонятно, как сделать их достаточно маленькими.
Всё изменилось, когда обнаружили, что если при выращивании кремниевой нанопроволоки (см. nanowire) изменить давление реагента, то проволока изогнется под углом 120°. Оказалось, что этот угол воспроизводим, то есть производство такой гнутой проволоки можно поставить на поток. Эту-то крохотную изогнутую проволочку ученые из Гарвардского университета и взяли за основу своего удивительного 3D-зонда.
Угол 120° — слишком тупой, и работать с ним неудобно. Поэтому первым делом ученые научились делать проволоки, изогнутые под углом 60° и 0°. Для этого вначале нужно было создать проволочки не с одним, а с двумя или тремя изгибами соответственно, а потом выбрать те из них, у которых кончики имеют цис-конфигурацию, то есть повернуты в одну и ту же сторону. Оказалось, что чем меньше расстояние между двумя изгибами, тем чаще получается цис-проволока. Обнаружив это, ученые смогли получать правильно изогнутые проволочки примерно в двух третях случаев.
Когда техника выращивания «правильных» проволочек была достаточно отточена, пора было заняться созданием на их основе транзистора. Для этого «плечи» проволочки, которые будут играть роль стока и истока, исследователи выращивали с большим количеством легирующей примеси (см. doping), а участок возле самого изгиба, который играет роль затвора и которым транзистор будут макать в клетку, — с маленьким количеством. В результате проводимость в стоке и истоке относительно затвора увеличивается, и область затвора становится особенно чувствительна к малейшим изменениям потенциала.
Полученные транзисторы были слишком малы, чтобы ими можно было манипулировать, поэтому ученые «посадили» их на специальную несущую конструкцию. Теперь надо было подготовить зонд ко встрече с клеткой. Для этого поверхность транзистора покрыли тонким слоем фосфолипидов (они входят в состав клеточной мембраны). В результате, когда зонд касался клетки, покрывающие его фосфолипиды смешивались с липидами, образующими мембрану, и проникновение зонда в клетку проходило практически безболезненно.
|
Теперь предстояло выяснить, насколько хорошо работают полученные зонды. Для этого исследователи провели целую серию успешных экспериментов. Но самые сногсшибательные результаты были получены на клетках сердечной мышцы цыпленка. Оказалось, что зонд прямо-таки творит чудеса: едва коснувшись клетки, он измеряет потенциал на ее внешней поверхности; затем, начиная проникать сквозь мембрану, измеряет и наружный и внутренний потенциал; и наконец, оказавшись внутри клетки, показывают изменение потенциала на внутренней поверхности мембраны. При этом чувствительность зонда к малейшим колебаниям потенциала необычайно высока.
Эти результаты не единичны, а воспроизводимы — а значит, перед нами стабильный измерительный прибор, необычайно чувствительный и на редкость безвредный для клетки. Скорее всего, в ближайшее время производство таких 3D-зондов будет поставлено на поток.
Источник: Bozhi Tian, Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Xiaojie Duan, Ping Xie, Charles M. Lieber. Three-Dimensional, Flexible Nanoscale Field-Effect Transistors as Localized Bioprobes // Science. 2010. V. 329, P. 830–834.
Вера Башмакова
