3D-Nanosonden wirken Wunder • Vera Bashmakova • Science News zu "Elementen" • Molekularbiologie, Nanotechnologien

3D-Nano-Sonden wirken Wunder

Feldbasierte Nanotransistor-3D-Sonde, die sich einer Zelle nähert (Ich) durchdringen die Zelle (II) und sie verlassen (III). Bild aus dem Artikel in der DiskussionWissenschaft

Das Membranpotential ist das wichtigste Merkmal einer lebenden Zelle, daher ist eine genaue Messung dieses Potentials eines der brennendsten Probleme der modernen Biologie. Obwohl es uns gelungen ist, etwas in diesem Bereich zu erreichen, müssen wir leider zugeben, dass alle existierenden Messgeräte erstens keine ausreichende Genauigkeit haben und zweitens das Leben der Zelle so ruinieren, dass das Potenzial ihrer Membran es ist ändern. Und gerade erst in einer Zeitschrift Wissenschaft Ein Artikel wurde vorgestellt, der ein Messgerät der neuen Generation darstellt – eine winzige 3D-Sonde, die auf einem Feldeffekttransistor aus Silizium-Nanodrähten basiert.

Schematische Darstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren. S (Source) – Source, D (Drain) – Drain, NanoFET (Nano-Feldeffekttransistor) – Feld-Nanotransistor. Habenoben und unten Drähte zwei Biegungen in einem Winkel von 120 °, und durchschnittlich – drei solche Biegungen. Ober und durchschnittlich der Draht ist für weitere Arbeiten geeignet, da seine Spitzen in die gleiche Richtung gerichtet sind (cis-Konfiguration), und niedriger der Draht ist nicht geeignet, weil seine Spitzen in verschiedene Richtungen abstehen (trans-Konfiguration), und einer von ihnen wird unweigerlich in die Zellmembran eindringen. Blaue Flecken gewachsen mit einer großen Menge an Dotierstoff und daher ist ihre Leitfähigkeit relativ hoch rosa Bereichwelches mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen gezüchtet wird. Bild aus dem Artikel in der DiskussionWissenschaft

Feld-Nanotransistoren sind ideal zur Messung des Membranpotentials, da sie zum einen sehr klein sind und zum anderen sehr empfindlich auf schwache Ströme reagieren. Aber – leider! – Fast alle vorhandenen Nano-Sonden basieren auf einer Planartechnologie, dh Transistoren sind auf das Substrat geklebt und können sich nicht bewegen. Aber Wissenschaftler würden gerne eine 3D-Sonde schaffen, die sich bewegen könnte, die das Membranpotential nicht der ersten verfügbaren, sondern der ausgewählten Zelle messen könnte, die von irgendeinem Ende bis zur Zelle schleichen könnte – was zum Teufel ist kein Scherz ! – könnte ganze dreidimensionale zellulare Netzwerke erforschen.

Die Schaffung einer solchen Sonde für eine lange Zeit blieb jedoch nur ein Traum – vor allem, weil die Größe des Feldes Nanotransistor in erster Linie durch die Größe seiner Drain-und Source bestimmt ist, und es war nicht klar, wie sie ziemlich klein zu machen.

Alles änderte sich, als sie feststellten, dass der Draht unter einem Winkel von 120 ° gebogen würde, wenn der Reagensdruck während des Wachsens von Silizium-Nanodrähten geändert würde (siehe Nanodraht). Es stellte sich heraus, dass dieser Winkel reproduzierbar ist, das heißt, die Herstellung eines solchen gebogenen Drahtes kann in Gang gesetzt werden. Wissenschaftler der Harvard University haben diesen winzigen gekrümmten Draht als Grundlage für ihre erstaunliche 3D-Sonde genommen.

Der Winkel von 120 ° ist zu langweilig, und es ist unbequem, damit zu arbeiten. Das erste, was Wissenschaftler gelernt haben, ist der Draht, der in einem Winkel von 60 ° und 0 ° gebogen ist. Um dies zu tun, war es zuerst notwendig, Drähte nicht mit einer, sondern mit zwei oder drei Biegungen zu erzeugen, und dann diejenigen auszuwählen, von denen die Spitzen eine cis-Konfiguration haben, dh in die gleiche Richtung gedreht werden. Es stellte sich heraus, dass je kleiner der Abstand zwischen den beiden Biegungen ist, desto häufiger wird der Cis-Draht erhalten. Nachdem Wissenschaftler dies herausgefunden hatten, konnten sie in etwa zwei Drittel der Fälle richtig gekrümmte Drähte erhalten.

Als die Technik, die "richtigen" Drähte zu wachsen, ausreichend verfeinert wurde, war es an der Zeit, einen Transistor basierend darauf zu erstellen. Für diese, die "Schultern" des Drahtes, die die Rolle von Drain und Quelle spielen werden, wuchsen die Forscher mit einer großen Menge an Dotierstoff (sieheDotierung), und der Bereich nahe der Kurve selbst, der die Rolle eines Tores spielt und mit dem der Transistor in die Zelle eingetaucht wird, ist mit einer kleinen Menge. Als ein Ergebnis erhöht sich die Leitfähigkeit in dem Drain und der Source relativ zu dem Gate, und die Fläche des Gate wird besonders empfindlich gegenüber den geringsten Potentialänderungen.

Die resultierenden Transistoren waren zu klein, um manipuliert zu werden, so dass die Wissenschaftler sie auf eine spezielle Trägerstruktur "aufsetzten". Jetzt war es notwendig, eine Sonde für ein Treffen mit der Zelle vorzubereiten. Dazu wird die Oberfläche des Transistors mit einer dünnen Schicht Phospholipide beschichtet (sie sind Teil der Zellmembran). Als die Sonde die Zellen berührte, wurden die Phospholipide, die sie bedeckten, mit den Lipiden gemischt, die die Membran bildeten, und das Eindringen der Sonde in die Zelle war nahezu schmerzfrei.

Eintauchen in einen Käfig einer 3D-Nano-Sonde mit einem Phospholipid-Gleitmittel. Dunkelviolett Phospholipidschichten sind gezeigt, Rosa – Plot Nanodrähte mit einem niedrigen Gehalt an Dotierstoff, hellviolett – ein Nanodraht-Diagramm mit einer großen Menge an Dotierstoff und in blau – Zytosol.Bild aus dem Artikel in der DiskussionWissenschaft

Nun galt es herauszufinden, wie gut die empfangenen Sonden funktionieren. Zu diesem Zweck führten die Forscher eine Reihe erfolgreicher Experimente durch. Die erstaunlichsten Ergebnisse wurden jedoch an den Zellen des Herzmuskels des Huhns erzielt. Es stellte sich heraus, dass die Sonde Wunder vollbringt: wenn sie nur die Zelle berührt, misst sie das Potential auf ihrer äußeren Oberfläche; dann misst er, indem er in die Membran eindringt, sowohl das äußere als auch das innere Potential; und schließlich, sobald sie in der Zelle sind, zeigen sie eine Änderung des Potentials auf der inneren Oberfläche der Membran. Gleichzeitig ist die Empfindlichkeit der Sonde für kleinste Potentialschwankungen ungewöhnlich hoch.

Diese Ergebnisse sind nicht einzigartig, aber reproduzierbar – was bedeutet, dass wir ein stabiles Messgerät haben, das extrem empfindlich und für die Zelle äußerst unschädlich ist. Höchstwahrscheinlich wird in naher Zukunft die Produktion solcher 3D-Sonden in Betrieb genommen.

Quelle: Bozhi Tian, ​​Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Xiaojie Duan, Ping Xie, Charles M. Lieber. Dreidimensionale, flexible nanoskalige Feldeffekttransistoren als lokalisierte Bioprobes // Wissenschaft. 2010. V. 329, S. 830-834.

Vera Basmakowa


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