Conceptuele tekening van het nieuwe moleculaire apparaat. Voor experimenten buiten het menselijk lichaam (in vitro), nestelt het apparaat zich op het celmembraan: het “reporter” -molecuul kan het lokale elektrische veld detecteren wanneer het wordt geactiveerd door rood licht; Een aangesloten “modifier” -molecuul kan dit elektrische veld veranderen wanneer het wordt geactiveerd door blauw licht. Krediet: Katya Kadyshevskaya bij USC
Met slechts 100 atomen kunnen elektrische velden worden gedetecteerd en gewijzigd
USC Viterbi-onderzoekers hebben het eerste moleculaire apparaat van nanogrootte gemaakt dat in staat is om het elektrische veld van een cel te detecteren en te veranderen, wat leidt tot nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek.
Bio-elektriciteit, de stroom die tussen onze cellen stroomt, is van fundamenteel belang voor ons vermogen om te denken, spreken en lopen.
Bovendien is er een groeiend aantal bewijzen dat het opnemen en veranderen van de bio-elektrische velden van cellen en weefsels een cruciale rol speelt bij wondgenezing en zelfs de strijd tegen ziekten zoals kanker en weefsels. hartziekte.
Nu hebben onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering voor het eerst een moleculair apparaat gemaakt dat beide kan: het bio-elektrische veld eromheen opnemen en manipuleren.
Het driehoekige apparaat bestaat uit twee kleine deeltjes die met elkaar zijn verbonden – veel kleiner dan een virus en vergelijkbaar in diameter DNA kust.
Het is een geheel nieuw materiaal om in het elektrische veld te “lezen en schrijven” zonder aangrenzende cellen en weefsels te beschadigen. Elk van de twee moleculen, bevestigd aan een korte keten van koolstofatomen, heeft zijn eigen afzonderlijke functie: een enkel molecuul fungeert als een “sensor” of detector die het lokale elektrische veld meet wanneer het wordt geactiveerd door rood licht; Het tweede molecuul, de “modifier”, genereert extra elektronen bij blootstelling aan blauw licht. Met name wordt elke functie onafhankelijk bestuurd door verschillende golflengten van licht.
Hoewel de organoïde niet bedoeld is voor gebruik bij mensen, zal deze gedeeltelijk binnen en buiten het celmembraan blijven voor in vitro experimenten.
Het werk, gepubliceerd in het Journal of Materials Chemistry C, werd geleid door de professoren Andrea Armani en Rehan Kapadia van de University of Southern California Viterbi. De hoofdauteurs zijn Yingmu Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij het Mork Department of Chemical Engineering and Materials Science. en Jinghan He, Ph.D. Kandidaat aan de University of Southern California Department of Chemistry. Co-auteurs zijn Patrick Sarris, een postdoctoraal onderzoeker aan de University of Southern California Viterbi; Hyun Ok Chae en Subrata Das, Ph.D. Kandidaten in Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering. Het laboratorium van Armani was verantwoordelijk voor het maken van het nieuwe organische molecuul, terwijl het laboratorium van Kapadia een sleutelrol speelde bij het testen hoe efficiënt de “modifier” elektriciteit kon opwekken wanneer hij met licht werd geactiveerd.
Omdat het reportermolecuul weefsels kan binnendringen, heeft het de potentie om niet-invasieve elektrische velden te meten, wat zorgt voor ultrasnelle, driedimensionale beeldvorming met hoge resolutie van neurale netwerken. Dit kan een belangrijke rol spelen voor andere onderzoekers die de effecten van nieuwe medicijnen testen, of veranderingen in omstandigheden zoals druk en zuurstof. In tegenstelling tot veel andere eerdere tools, zal het dit doen zonder gezonde cellen of weefsels te beschadigen of genetische manipulatie van het systeem te vereisen.
“Dit multifunctionele beeldvormende middel is al compatibel met de huidige microscopen, dus het zal een breed scala aan onderzoekers – van biologie tot neurowetenschappen tot fysiologie – in staat stellen nieuwe vragen en soorten vragen te stellen”, zegt Armani, Ray Irani Chair in Chemical Engineering and Materials Wetenschap. Over biologische systemen en hun reactie op verschillende stimuli: medicijnen en omgevingsfactoren. De nieuwe grenzen zijn eindeloos.”
Bovendien kan het gemodificeerde molecuul, door het nabije elektrische veld van de cellen te veranderen, schade met één puntsprecisie veroorzaken, waardoor toekomstige onderzoekers trapsgewijze effecten kunnen bepalen over bijvoorbeeld een heel netwerk van hersencellen of hartcellen.
“Als je een draadloos netwerk in je huis hebt, wat gebeurt er dan als een van die nodes onstabiel wordt?” zei Armani. “Hoe beïnvloedt dit alle andere knooppunten in uw huis? Werken ze nog steeds? Als we eenmaal een biologisch systeem zoals het menselijk lichaam begrijpen, kunnen we beter anticiperen op zijn reactie – of zijn reactie veranderen, zoals het maken van betere medicijnen om ongewenst gedrag te voorkomen .”
“Het belangrijkste is dat we dit kunnen gebruiken voor ondervraging en manipulatie. En we kunnen beide doen met een zeer hoge nauwkeurigheid – in termen van ruimte en tijd”, aldus Kapadia, Colin en Roberto Padovani’s hoofd Electrical and Computer Engineering.
De sleutel tot het nieuwe orgelsysteem was het vermogen om “overspraak” te elimineren. Hoe zorgen we ervoor dat deze twee zeer verschillende moleculen aan elkaar blijven plakken en niet met elkaar interfereren op de manier van twee vervormde radiosignalen? In het begin, merkt Armani op, “was het niet helemaal duidelijk dat het mogelijk zou zijn.” de oplossing? Scheid ze door een lange alkylketen, die de fotofysische mogelijkheden van elk niet beïnvloedt.
De volgende stappen voor dit nieuwe, multifunctionele molecuul omvatten het testen op neuronen en zelfs bacteriën. Moh El-Naggar, een medewerker van de University of Southern California, heeft eerder het vermogen van microbiële gemeenschappen aangetoond om elektronen tussen cellen en over relatief lange afstanden over te dragen – met enorme implicaties voor het oogsten van biobrandstoffen.
Referentie: “Multifunctioneel organisch molecuul voor detectie en modulatie van elektrische velden” door Yingmo Zhang, Jingan Hee, Patrick JJ Sarris, Hyun Ok Chae, Subrata Das, Rehan Kapadia en Andrea M Armani, 8 december 2021, Journal of Materials Chemistry C.
DOI: 10.1039 / D1TC05065F
Dit werk werd ondersteund door het Office of Naval Research en het Army Research Office.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
