První nanomolekulární zařízení schopné snímat a modulovat bioelektrická pole buněk

S pouhými 100 atomy lze detekovat a měnit elektrická pole

USC Vědci z Viterbi vytvořili první molekulární zařízení o nano velikosti schopné snímat a modulovat elektrické pole buňky, což vedlo k novým možnostem základního výzkumu.

Bioelektřina, proud, který proudí mezi našimi buňkami, je zásadní pro naši schopnost myslet, mluvit a chodit.

Kromě toho přibývá důkazů, že záznam a modulace bioelektrických polí buněk a tkání hraje zásadní roli při hojení ran a dokonce i v boji proti nemocem, jako je rakovina a tkáně. srdeční choroba.

Vědci z USC Viterbi School of Engineering nyní poprvé vytvořili molekulární zařízení, které dokáže obojí: zaznamenávat a manipulovat s bioelektrickým polem kolem něj.

Zařízení trojúhelníkového tvaru se skládá ze dvou malých částic spojených – mnohem menších než virus a podobného průměru DNA pobřeží.

Jde o zcela nový materiál pro „čtení a zápis“ v elektrickém poli bez poškození sousedních buněk a tkání. Každá z těchto dvou molekul, připojená ke krátkému řetězci atomů uhlíku, má svou vlastní samostatnou funkci: jedna molekula funguje jako „senzor“ nebo detektor, který měří místní elektrické pole, když je spuštěno červeným světlem; Druhá molekula, „modifikátor“, generuje další elektrony, když je vystavena modrému světlu. Je pozoruhodné, že každá funkce je nezávisle řízena různými vlnovými délkami světla.

Přestože organoid není určen pro použití u lidí, zůstane částečně uvnitř a vně buněčné membrány pro experimenty in vitro.

Práci, publikovanou v Journal of Materials Chemistry C, vedli profesoři Viterbi z University of Southern California Andrea Armani a Rehan Kapadia. Hlavními autory jsou Yingmu Zhang, postdoktorandský výzkumník v Mork Department of Chemical Engineering and Materials Science. a Jinghan He, Ph.D. Kandidát na katedře chemie University of Southern California. Spoluautory jsou Patrick Sarris, postdoktorandský výzkumný pracovník na University of Southern California Viterbi; Hyun Ok Chae a Subrata Das, Ph.D. Kandidáti na katedře elektrotechniky a výpočetní techniky Ming Hsieh. Armaniho laboratoř byla zodpovědná za vytvoření nové organické molekuly, zatímco Kapadiaova laboratoř hrála klíčovou roli při testování, jak efektivně může „modifikátor“ generovat elektřinu, když je aktivován světlem.

Protože reportérová molekula může vstupovat do tkání, má potenciál měřit neinvazivní elektrická pole a poskytovat ultrarychlé, trojrozměrné zobrazování neuronových sítí s vysokým rozlišením. To by mohlo hrát důležitou roli pro další výzkumníky, kteří testují účinky nových léků nebo změny podmínek, jako je tlak a kyslík. Na rozdíl od mnoha předchozích nástrojů tak učiní bez poškození zdravých buněk nebo tkání nebo bez nutnosti genetické manipulace systému.

„Toto multifunkční zobrazovací činidlo je již kompatibilní se současnými mikroskopy, takže umožní širokému spektru výzkumníků – od biologie přes neurovědy až po fyziologii – klást nové otázky a druhy otázek,“ řekl Armani, vedoucí chemického inženýrství a materiálů Ray Irani. věda. O biologických systémech a jejich reakci na různé podněty: drogy a faktory životního prostředí. Nové hranice jsou nekonečné.“

Kromě toho může modifikovaná molekula změnou blízkého elektrického pole buněk poškodit s jednobodovou přesností, což budoucím výzkumníkům umožní určit kaskádové efekty v celé síti mozkových buněk nebo například srdečních buněk.

„Pokud máte doma bezdrátovou síť, co se stane, když se jeden z těchto uzlů stane nestabilním?“ řekl Armani. „Jak to ovlivní všechny ostatní uzly ve vaší domácnosti? Fungují stále? Jakmile pochopíme biologický systém, jako je lidské tělo, můžeme lépe předvídat jeho reakci – nebo změnit jeho reakci, jako je výroba lepších léků k prevenci nežádoucího chování.“ .“

„Hlavní věc je, že to můžeme použít k výslechu a manipulaci. A obojí můžeme dělat s velmi vysokou přesností – z hlediska prostoru a času,“ řekli Kapadia, Colin a Roberto Padovaniovi vedoucí elektrotechnického a počítačového inženýrství.

Klíčem k novému orgánovému systému byla schopnost eliminovat „přeslechy“. Jak docílíme toho, že se tyto dvě velmi odlišné molekuly slepí a nebudou se vzájemně rušit na způsob dvou zakódovaných rádiových signálů? Zpočátku, poznamenává Armani, „nebylo úplně jasné, že by to bylo možné.“ řešení? Oddělte je dlouhým alkylovým řetězcem, který neovlivňuje fotofyzikální schopnosti každého z nich.

Další kroky pro tuto novou, multifunkční molekulu zahrnují její testování na neuronech a dokonce i na bakteriích. Vědec z University of Southern California Moh El-Naggar, spolupracovník, již dříve prokázal schopnost mikrobiálních komunit přenášet elektrony mezi buňkami a na relativně dlouhé vzdálenosti – s obrovskými důsledky pro sklizeň biopaliv.

Reference: „Multifunkční organická molekula pro snímání a modulaci elektrického pole“ Yingmo Zhang, Jingan Hee, Patrick JJ Sarris, Hyun Ok Chae, Subrata Das, Rehan Kapadia a Andrea M Armani, 8. prosince 2021, Journal of Materials Chemistry C.
DOI: 10.1039 / D1TC05065F

Tato práce byla podporována Úřadem pro námořní výzkum a Úřadem pro výzkum armády.