Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Р. Найт
«Смотри, что у тебя внутри». Глава из книги


К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Н. Резник
Как черепахи нарыли себе панцирь


Интервью с Б. Янишем
Наследники Поппера


А. Гуков
Крупные животные Арктики: сколько их осталось?


А. Огнёв
Откуда жизнь? Еще теплее!


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир







Главная / Новости науки версия для печати

3D-нанозонды творят чудеса


3D-зонд на основе полевого нанотранзистора, приближающийся к клетке (I), проникающий в клетку (II) и покидающий ее (III). Изображение из обсуждаемой статьи в Science
3D-зонд на основе полевого нанотранзистора, приближающийся к клетке (I), проникающий в клетку (II) и покидающий ее (III). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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.

Схематичное изображение полевых транзисторов на основе кремниевой нанопроволоки. S (source) — исток, D (drain) — сток, nanoFET (nano field-effect transistor) — полевой нанотранзистор. Изображение из обсуждаемой статьи в Science
Схематичное изображение полевых транзисторов на основе кремниевой нанопроволоки. S (source) — исток, D (drain) — сток, nanoFET (nano field-effect transistor) — полевой нанотранзистор. У верхней и нижней проволочек два изгиба под углом 120°, а у средней — три таких изгиба. Верхняя и средняя проволочка подходят для дальнейшей работы, поскольку их кончики направлены в одну и ту же сторону (цис-конфигурация), а нижняя проволочка не подходит, поскольку ее кончики торчат в разные стороны (транс-конфигурация), и один из них неминуемо воткнется в клеточную мембрану. Голубые участки выращены с большим количеством легирующей примеси, и поэтому их проводимость высока относительно розового участка, который выращен с маленьким количеством примеси. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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.

Погружение в клетку 3D-нанозонда с фосфолипидной смазкой. Темно-фиолетовым цветом показаны фосфолипидные слои, розовым — участок нанопроволоки с небольшим содержанием легирующей примеси, светло-фиолетовым — участок нанопроволоки с большим количеством легирующей примеси, а голубым — цитозоль. Изображение из обсуждаемой статьи в Science
Погружение в клетку 3D-нанозонда с фосфолипидной смазкой. Темно-фиолетовым цветом показаны фосфолипидные слои, розовым — участок нанопроволоки с небольшим содержанием легирующей примеси, светло-фиолетовым — участок нанопроволоки с большим количеством легирующей примеси, а голубым — цитозоль. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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


Комментарии (1)



Последние новости: Молекулярная биологияНанотехнологииВера Башмакова

15.09
Разработан метод пространственной визуализации транскрипции генов
26.08
Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
31.05
Получены двумерные наноструктуры с контролируемыми размером и свойствами поверхности
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
01.04
Ботаники вырастили опаловые цветы
19.02
Протеинкиназа М-дзета «закрыта»?
12.01
Локализацию метастазов определяют интегрины опухолевых экзосом
10.09
Родственные интернейроны у эмбрионов мышей расселяются по переднему мозгу независимо друг от друга
31.08
Серотонин матери определяет тип поведения молодой улитки

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия