Текст уведомления здесь

Созданы нанодетекторы потенциала клеточных мембран

Команда исследователей из Университета Калифорнии разработала технологию создания нанодетекторов, способных самостоятельно внедряться в мембраны клеток и измерять их электрический потенциал.
Добавить в закладки
Комментарии

Нервные импульсы — это возбуждения, распространяющиеся по мембране клетки. Ее внутренняя и внешняя стороны несут заряд противоположных знаков, из-за чего между ними возникает разность потенциалов. При прохождении импульса эти заряды и потенциалы резко изменяются. Важно иметь детекторы, которые могли бы непосредственно измерять потенциал, не нарушая при этом хода процессов. А поскольку мембраны имеют толщину всего в несколько нанометров, то и детекторы должны иметь наноразмер.

Нанодетекторы — это цилиндры из обычного в наноэлектронике материала — сульфида кадмия CdS, легированного селенидом кадмия CdSe. Их средние размеры — 10 нм в длину и 5 нм в диаметре.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул, каждая из которых имеет гидрофильную головку на поверхности и гидрофобный хвост, направленный вовнутрь. Если сделать боковые стороны цилиндров гидрофобными, а их основания — гидрофильными, они будут встраиваться в мембрану и прочно держаться в ней.

Чтобы управлять свойствами поверхности, авторы работы синтезировали специальный пептид — короткую цепочку из 25 аминокислот. Она состояла из двух участков — гибкой гидрофильной части и жесткой гидрофобной спирали. Спираль может прилипать к боковой стороне цилиндра, в то время как гидрофильный хвост обхватывает его основание. К каждому детектору прилипает от 8 до 12 таких молекул, что обеспечивает нужные свойства.

Потенциал детекторы измеряют следующим образом: каждая наночастица представляет собой «квантовую точку» — потенциальную яму, в которой электроны и дырки располагаются на заданных энергетических уровнях. Переходы между ними сопровождаются излучением фотонов с частотой, равной разности между энергиями начального и конечного состояний. Когда «квантовая точка» помещается в электрическое поле, оно возмущает энергетические уровни и приводит к сдвигу частоты излучения (это называется квантово-размерным эффектом Штарка). Измеряя этот сдвиг, можно определить по нему напряженность поля.

Схема детектора. Изображение: Kyoungwon Park, Yung Kuo et al.

Схема детектора. Изображение: Kyoungwon Park, Yung Kuo et al.

В процессе исследования покрытые пептидами нанодетекторы впрыскивались в клеточные пузырьки-везикулы и проникали в их мембраны. Затем независимыми методами — электронной микроскопией замороженных везикул и измерением анизотропии флуоресценции — ученые проверяли, насколько хорошо детекторы проникают в мембрану и какое положение в ней занимают. Разные методы дали схожие результаты: почти 60% всех детекторов занимают правильное, перпендикулярное мембране, положение. Также для одного типа клеток, в которых происходят колебания потенциала, было продемонстрировано, что детекторы действительно могут измерять его.

Пока изучался только один, вероятно не лучший, пептид, но компьютерное моделирование показало, что, оптимизируя его структуру и геометрию наночастиц, можно существенно улучшить достигнутые показатели. Авторы рассчитывают, что развитие метода позволит измерять потенциалы в масштабах вплоть до отдельного синапса. Если это верно, новая технология найдет широкое применение в нейрофизиологии.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Ранее российские химики синтезировали искусственные аналоги биологических рецепторов анионов. Такие молекулы эффективно и избирательно связывают отрицательно заряженные ионы, что позволит использовать их в составе лекарственных средств.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы