3D-нанозонди творять чудеса

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 58

3D-зонд на основі польового нанотранзистора, що наближається до клітки (I), проникає в клітку (II) і покидає її (III). Зображення з обговорюваної статті в Science

Мембранний потенціал — найважливіша характеристика живої клітини, тому точний вимір цього потенціалу — одна з найбільш животрепетних проблем сучасної біології. Хоча дечого в цій області досягти вдалося, з сумом доводиться визнати, що всі існуючі вимірювачі, по-перше, не володіють достатньою точністю, а по-друге, настільки псують життя клітці, що і сам потенціал її мембрани через них може змінитися. І ось недавно в журналі Science вийшла стаття, що представляє вимірювач нового покоління — крихітний 3D-зонд на основі польового транзистора, що складається з кремнієвої нанопроволоки.

Схематичне зображення польових транзисторів на основі кремнієвої нанопроволоки. S (source) — істок, D (drain) — стік, nanoFET (nano field-effect transistor) — польовий нанотранзистор. У верхній і нижній зволіканнях два вигини під кутом 120 °, а у середньої — три таких вигини. Верхній і середній зволікання підходять для подальшої роботи, оскільки їх кінчики спрямовані в один і той же бік (ціс-конфігурація), а нижній дріт не підходить, оскільки його кінчики стирчать в різні боки (транс-конфігурація), і один з них неминуче встромиться в клітинну мембрану. Блакитні ділянки вирощені з великою кількістю домішок, і тому їх провідність висока відносно рожевого ділянки, який вирощений з маленькою кількістю домішки. Зображення з обговорюваної статті в Science

Польові нанотранзистори ідеально підходять для вимірювання мембранного потенціалу, оскільки вони, по-перше, досить малі, а по-друге — дуже чутливі до слабких струмів. Але — на жаль! — практично всі існуючі нанозонди на їх основі зроблені за планарною технологією — тобто транзистори приклеєні до підкладки і не можуть ворушитися. Адже вченим хотілося б створити 3D-зонд, який міг би рухатися, яким можна було б виміряти мембранний потенціал не у першої, що попалася, а у обраної клітини, який міг би «підповзти» до клітки з будь-якого кінця, який — чим чорт не жартує! — міг би дослідити цілі тривимірні клітинні мережі.

Однак створення такого зонда довгий час залишалося тільки мрією — насамперед тому, що розмір польового нанотранзистора визначається в першу чергу розмірами його стоку і витоку, і було незрозуміло, як зробити їх досить маленькими.

Все змінилося, коли виявили, що якщо при вирощуванні кремнієвої нанопроволоки (див. nanowire) змінити тиск реагенту, то дріт вигнеться під кутом 120 °. Виявилося, що цей кут відтворюємо, тобто виробництво такого гнутого дроту можна поставити на потік. Цей крихітний вигнутий дріт вчені з Гарвардського університету і взяли за основу свого дивовижного 3D-зонда.

Кут 120 ° — надто тупий, і працювати з ним незручно. Тому насамперед вчені навчилися робити дроти, вигнуті під кутом 60 ° і 0 °. Для цього спочатку потрібно було створити зволікання не з одним, а з двома або трьома вигинами відповідно, а потім вибрати ті з них, у яких кінчики мають ціс-конфігурацію, тобто повернуті в одну і ту ж сторону. Виявилося, що чим менше відстань між двома вигинами, тим частіше виходить цис-дріт. Виявивши це, вчені змогли отримувати правильно вигнуті зволікання приблизно в двох третинах випадків.

Коли техніка вирощування «правильних» зволікань була досить відточена, пора було зайнятися створенням на їх основі транзистора. Для цього «плечі» зволікання, які будуть грати роль стоку і витоку, дослідники вирощували з великою кількістю легуючої домішки (див. doping), а ділянку біля самого вигину, який грає роль затвора і яким транзистор будуть макати в клітку, — з маленькою кількістю. В результаті провідність в стоці і витоку відносно затвора збільшується, і область затвора стає особливо чутлива до найменших змін потенціалу.

Отримані транзистори були занадто малі, щоб ними можна було маніпулювати, тому вчені «посадили» їх на спеціальну несучу конструкцію. Тепер треба було підготувати зонд до зустрічі з кліткою. Для цього поверхню транзистора покрили тонким шаром фосфоліпідів (вони входять до складу клітинної мембрани). В результаті, коли зонд торкався клітини, що покривають його фосфоліпіди змішувалися з ліпідами, що утворюють мембрану, і проникнення зонда в клітку проходило практично безболісно.

Занурення в клітку 3D-нанозонду з фосфоліпідною мастильнею. Темно-фіолетовим кольором показані фосфоліпідні шари, рожевим — ділянка нанопроволоки з невеликим вмістом легуючої домішки, світло-фіолетовим — ділянка нанопроволоки з великою кількістю легуючої домішки, а блакитним — цитозоль. Зображення з обговорюваної статті в Science

Тепер треба було з’ясувати, наскільки добре працюють отримані зонди. Для цього дослідники провели цілу серію успішних експериментів. Але найбільш карколомні результати були отримані на клітинах серцевого м’яза курча. Виявилося, що зонд прямо-таки творить дива: ледь торкнувшись клітини, він вимірює потенціал на її зовнішній поверхні; потім, починаючи проникати крізь мембрану, вимірює і зовнішній і внутрішній потенціал; і нарешті, опинившись всередині клітини, показують зміну потенціалу на внутрішній поверхні мембрани. При цьому чутливість зонда до найменших коливань потенціалу надзвичайно висока.

Ці результати не поодинокі, а відтворювані — а значить, перед нами стабільний вимірювальний прилад, надзвичайно чутливий і на рідкість нешкідливий для клітини. Швидше за все, найближчим часом виробництво таких 3D-зондів буде поставлено на потік.

Джерело: 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.

Віра Башмакова