Слияние наноэлектроники и биомембран создаёт новую гибридную технологию
Учёные из Калифорнийского университета в Дэвисе, Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса и Калифорнийского университета в Беркли создали гибридную систему из кремниевых наносхем и биологических компонентов, имитирующую некоторые процессы, контролирующие прохождение молекул в клетку и из неё.
Липидные наносхемы могут привести к разработке новых классов биосенсоров и биологических приложений, например, комплексных анализов крови, которые помещаются на кончике иглы, или инструментов для скрининга новых лекарств.
«Это пример брака между технологией интегральных схем и биотехнологией, — сказал Питер Строув, профессор химического машиностроения и материаловедения в UC Davis и один из трёх ведущих учёных проекта. — Обе технологии можно производить массово, поэтому, теоретически, их интеграцию также можно производить массово».
Статья с описанием исследования была опубликована 10 августа в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences и вышла в печатном номере от 18 августа.
В то время как современные коммуникационные устройства используют электрические поля и токи для передачи информации, биологические системы гораздо сложнее. Их использование мембранных рецепторов, каналов и насосов для контроля химических сигналов внутри и между клетками не имеет аналогов даже среди самых мощных компьютеров. Поскольку эти сложные операции могут улучшить технологические системы, учёные пытаются разработать методы их объединения.
Дополнительным преимуществом такого слияния является потенциал для миниатюризации. «Если вы хотите перейти к наномасштабу в технологии схем, некоторые компоненты должны быть настолько малы, что их либо очень сложно произвести, либо они могут выйти из строя, — пояснил Строув. — С другой стороны, многие биологические компоненты имеют тенденцию к самосборке. И именно на этом мы построили нашу работу».
Чтобы создать гибридную систему, Строув, ведущий учёный-химик из Ливерморской лаборатории Александр Ной и профессор машиностроения из UC Berkeley Костас Григоропулос обратились к липидным бислоям — тонким плёнкам, окружающим клетки и выступающим в роли привратников для молекул.
Используя ранее разработанную методику, команда погрузила нанотранзисторы из кремниевой проволоки в суспензию липидных молекул в воде. Притягиваясь к отрицательно заряженной поверхности нанопроводов, липиды накапливались на них, образуя двойной слой, который изолировал электрические свойства проводов и защищал их от окружающей воды.
Команда встроила в липидные бислои бактериальные белки — Грамицидин A и Алеметицин. В живых клетках эти белки служат каналами для прохождения молекул через мембрану.
Создавая разность потенциалов на мембране, исследователи обнаружили, что могут открывать и закрывать белковые каналы.
«Это очень похоже на то, что происходит в клетке, — объяснил Строув. — Теперь, когда мы можем открывать и закрывать эти каналы, мы можем, по сути, регулировать способность нашей системы обнаруживать химические вещества в окружающей среде».
Ведущими авторами исследования были аспиранты на момент работы Хулио Мартинес и Нипун Мисра. Мартинес работал со Строувом в UC Davis, а Мисра был студентом UC Berkeley. В исследовании также участвовали Ши-Чие Хуанг из UCLA и Иньминь Ван из Ливерморской национальной лаборатории. Мартинес, Мисра и Хуанг также занимали позиции в рамках программы студенческих стипендий для выпускников в национальной лаборатории во время работы.