Yazılar

Hücrelerin Biyoelektrik Alanlarını Algılayabilen ve Değiştirebilen İlk Nano Boyutlu Moleküler Cihaz

Sadece 100 Atom Kullanılarak Elektrik Alanlar Tespit Edilebilir ve Değiştirilebilir
USC Viterbi araştırmacıları, potansiyel olarak hücrenin elektrik alanını algılayabilen ve değiştirebilen, temel araştırmalar için yeni olanaklar sunan ilk nano boyutlu moleküler cihazı yarattı.

Hücrelerimiz arasında akan akım olan biyoelektrik, düşünme, konuşma ve yürüme yeteneğimizin temelidir.

Buna ek olarak, hücrelerin ve dokuların biyoelektrik alanlarını kaydetmenin ve değiştirmenin yara iyileşmesinde ve hatta kanser ve kalp hastalığı gibi potansiyel hastalıklarla savaşmada hayati bir rol oynadığına dair artan sayıda kanıt var .

Şimdi, ilk kez, USC Viterbi Mühendislik Okulu’ndaki araştırmacılar, her ikisini de yapabilen moleküler bir cihaz yarattılar: çevreleyen biyoelektrik alanını kaydedin ve manipüle edin.

Üçgen şeklindeki cihaz birbirine bağlı iki küçük molekülden oluşuyor – bir virüsten çok daha küçük ve bir DNA zincirinin çapına benzer.

Yakındaki hücrelere ve dokulara zarar vermeden elektrik alanını “okumak ve yazmak” için tamamen yeni bir malzemedir. Kısa bir karbon atomu zinciriyle birbirine bağlanan iki molekülün her birinin kendi ayrı işlevi vardır: bir molekül, kırmızı ışıkla tetiklendiğinde yerel elektrik alanını ölçen bir “sensör” veya detektör görevi görür; ikinci bir molekül, “değiştirici”, mavi ışığa maruz kaldığında ek elektronlar üretir. Özellikle, her işlev, ışığın farklı dalga boyları tarafından bağımsız olarak kontrol edilir.

İnsanlarda kullanılması amaçlanmamasına rağmen, organik cihaz, in vitro deneyler için kısmen hücre zarının içine ve dışına oturacaktır.

Journal of Materials Chemistry C’de yayınlanan çalışma, USC Viterbi profesörleri Andrea Armani ve Rehan Kapadia tarafından yönetildi. Baş yazarlar arasında Mork Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Yingmu Zhang; ve Jinghan He, bir Ph.D. USC Kimya Departmanında aday. Ortak yazarlar arasında USC Viterbi doktora sonrası araştırmacısı Patrick Saris; ve Hyun Uk Chae ve Subrata Das, Ph.D. Ming Hsieh Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’ndeki adaylar. Armani Laboratuvarı yeni organik molekülün yaratılmasından sorumluyken Kapadia Laboratuvarı, ışıkla etkinleştirildiğinde “değiştiricinin” ne kadar verimli elektrik ürettiğini test etmede kilit bir rol oynadı.

Raportör molekül dokuya eklenebildiğinden, elektrik alanlarını invaziv olmayan bir şekilde ölçme olanağına sahiptir ve sinir ağlarının ultra hızlı, 3 boyutlu, yüksek çözünürlüklü görüntülemesini sağlar. Bu, yeni ilaçların etkilerini veya basınç ve oksijen gibi koşullardaki değişiklikleri test eden diğer araştırmacılar için çok önemli bir rol oynayabilir. Daha önceki birçok aracın aksine, bunu sağlıklı hücrelere veya dokulara zarar vermeden veya sistemin genetik manipülasyonunu gerektirmeden yapacak.

Ray Irani Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Kürsüsü Armani, “Bu çok işlevli görüntüleme ajanı zaten mevcut mikroskoplarla uyumlu,” dedi ve “böylece biyolojiden sinirbilime ve fizyolojiye kadar çok çeşitli araştırmacıların yeni sorular sormasını sağlayacak. biyolojik sistemler ve bunların farklı uyaranlara tepkileri hakkında soru türleri: ilaçlar ve çevresel faktörler. Yeni sınırlar sonsuzdur.”

Ek olarak, değiştirici molekül, hücrelerin yakındaki elektrik alanını değiştirerek, tek bir noktaya kesin olarak zarar verebilir ve gelecekteki araştırmacıların, örneğin tüm bir beyin hücreleri veya kalp hücreleri ağı boyunca basamaklı etkileri belirlemesine olanak tanır.

“Evinizde kablosuz bir ağ varsa, bu düğümlerden biri kararsız hale gelirse ne olur?” dedi Armani. “Bu, evinizdeki diğer tüm düğümleri nasıl etkiler? Hala çalışıyorlar mı? İnsan vücudu gibi biyolojik bir sistemi anladığımızda, tepkisini daha iyi tahmin edebiliriz veya istenmeyen davranışları önlemek için daha iyi ilaçlar yapmak gibi tepkisini değiştirebiliriz.”

Colleen ve Roberto Padovani Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Erken Kariyer Başkanı Kapadia, “Önemli olan şey,” dedi, “bunu hem sorgulamak hem de manipüle etmek için kullanabiliriz. Ve her ikisini de çok yüksek çözünürlüklerde yapabiliriz – hem uzamsal hem de zamansal olarak.”

Yeni organik cihazın anahtarı, “karışmayı” ortadan kaldırma yeteneğiydi. Bu çok farklı iki molekülün, iki şifreli radyo sinyali gibi birbirine karışmaması ve birbirine karışmaması nasıl sağlanır? Başlangıçta, Armani “Mümkün olacağı tamamen açık değildi” diye belirtiyor. Çözüm? Her ikisini de fotofiziksel yeteneklerini etkilemeyen uzun bir alkil zinciri ile ayırın.

Bu çok işlevli yeni molekül için sonraki adımlar, nöronlar ve hatta bakteriler üzerinde test yapmayı içerir. Bir işbirlikçi olan USC bilim adamı Moh El-Naggar, daha önce mikrobiyal toplulukların elektronları hücreler arasında ve nispeten uzun mesafeler boyunca transfer etme yeteneğini gösterdi – biyoyakıt hasadı için büyük etkilerle.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu