Новые наноразмерные транзисторы позволяют проводить чувствительные измерения внутри клеток

Химики и инженеры Гарвардского университета создали новый тип V-образных транзисторов из нанопроводов, достаточно малых для чувствительного зондирования внутренней среды клеток.

Новое устройство, описанное на этой неделе в журнале Science, меньше многих вирусов и примерно в сто раз тоньше зондов, используемых сейчас для клеточных измерений, которые могут быть почти такими же большими, как и сами клетки. Его малый размер — значительное улучшение по сравнению с более громоздкими зондами, которые могут повреждать клетки при введении, снижая точность и надежность получаемых данных.

«Использование этих наноразмерных полевых транзисторов, или nanoFET, представляет собой первый совершенно новый подход к внутриклеточным исследованиям за десятилетия, а также первое измерение внутренней среды клетки с помощью полупроводникового устройства», — говорит старший автор Чарльз М. Либер. «NanoFET — это первый новый инструмент для электрических измерений внутри клеток с 1960-х годов, за время которых электроника значительно продвинулась вперед».

Либер и коллеги утверждают, что nanoFET можно использовать для измерения ионных потоков или электрических сигналов в клетках, особенно в нейронах. Устройства также можно оснастить рецепторами или лигандами для обнаружения отдельных биохимических веществ внутри клетки.

Человеческие клетки могут иметь размер от примерно 10 микрон (миллионных долей метра) для нервных клеток до 50 микрон для клеток сердца. В то время как современные зонды имеют диаметр до 5 микрон, nanoFET на несколько порядков меньше: общий размер менее 50 нанометров (миллиардных долей метра), при этом сам нанопроводной зонд имеет диаметр всего 15 нанометров.

Помимо малого размера, две особенности позволяют легко вводить nanoFET в клетки. Во-первых, Либер и коллеги обнаружили, что покрытие структур фосфолипидным бислоем — тем же материалом, из которого состоят клеточные мембраны — позволяет клетке легко втягивать устройства посредством мембранного слияния, процесса, родственного тому, который используется для поглощения вирусов и бактерий.

«Это устраняет необходимость проталкивать nanoFET в клетку, поскольку они, по сути, сливаются с клеточной мембраной с помощью собственного клеточного механизма», — говорит Либер. «Это также означает, что введение nanoFET не является столь травматичным для клетки, как использование современных электрических зондов. Мы обнаружили, что nanoFET можно вводить в клетку и извлекать из нее многократно без какого-либо заметного повреждения клетки. Мы даже можем использовать их для непрерывных измерений, пока устройство входит в клетку и выходит из нее».

Во-вторых, текущая работа основывается на предыдущих исследованиях группы Либера по внедрению треугольных «стереоцентров» — по сути, фиксированных соединений под углом 120º — в нанопровода, которые ранее были жестко линейными. Эти стереоцентры, аналогичные химическим узлам во многих сложных органических молекулах, создают изгибы в одномерных наноструктурах, преобразуя их в более сложные формы.

Либер и его соавторы обнаружили, что введение двух углов 120º в нанопровод в правильной цис-ориентации создает один V-образный угол 60º, идеальный для двухконечного nanoFET с сенсором на кончике буквы V. Два «плеча» затем можно соединить с проводами для создания тока через наноразмерный транзистор.