Биомиметические микролинзы на основе морских губок открывают новые возможности в оптике
Ученые из Рочестерского университета создали в лаборатории микролинзы, вдохновленные морскими губками. Эти простые морские животные выращивают сложные стеклянные скелеты из биостекла (кремнезема), сочетающие легкость и прочность.
В статье, опубликованной в журнале PNAS, международная команда (включая ученых из Университета Колорадо-Боулдер, Делфтского технического университета и Лейденского университета) сообщает, что этот биовдохновленный материал может привести к созданию специализированных сенсоров изображения для медицинских и коммерческих применений.
Инновационный подход
Исследователи использовали фермент силикатеин, который губки применяют для минерализации стекла на основе кремнезема. Лаборатория Энн С. Мейер, доцента кафедры биологии Рочестера, генетически модифицировала бактериальные клетки для экспрессии этого фермента.
Коллаборация с экспертами в области оптики, физики и химии позволила:
- Разработать новую микроскопическую технику для измерения оптических свойств клеток.
- Проанализировать химические свойства бактерий, чтобы подтвердить наличие кремнезема на их поверхности.
- Создать математические модели, предсказывающие оптические свойства стеклопокрытых клеток.
Результатом стали бактериальные микролинзы, которые значительно меньше типично производимых. Их ключевые преимущества:
- Низкая стоимость и простота выращивания (создаются бактериальными "клеточными фабриками").
- Формирование стеклянного покрытия при стандартных температуре и давлении.
Потенциал применения
Микролинзы — это линзы размером в несколько микрометров, способные фокусировать свет в интенсивные пучки на микроскопическом уровне.
Потенциал новых биомиметических микролинз включает:
- Высокое разрешение: Могут позволить создавать сенсоры изображения с более высоким разрешением, визуализируя меньшие структуры (например, в медицине).
- Улучшенная микроскопия: Фокусируя свет в очень яркие пучки, могут помочь в визуализации объектов, которые сейчас слишком малы (например, субклеточные структуры).
- "Живые" оптические устройства: Стеклопокрытые бактерии остаются живыми несколько месяцев после инкапсуляции, что позволяет создавать устройства, способные ощущать и реагировать на окружающую среду, меняя оптические свойства.
- Производство в особых условиях: Простота производства делает их перспективными для изготовления оптики в местах с ограниченным доступом к нанофабрикации, включая космическое пространство.
"Это исследование — первое, в котором удалось придать бактериальным клеткам свойства фокусировки света", — отмечает Энн Мейер.