Изогнув под острым углом нанопроволоку, химики и инженеры Гарвардского университета (Harvard University) превратили ее в V-образный транзистор нового типа для проведения тончайших исследований внутренней среды клетки.

Масштабированная схема электронного датчика
из изогнутой нанопроволоки, зондирующего
внутриклеточную среду. Двухтерминальное устройство
имеет гибкую трехмерную структуру с ключевым
наноразмерным транзисторным элементом,
синтетически интегрированным в вершину
острого угла наноструктуры. 3-D нанодатчики,
покрытые фосфолипидными бислоями, входят
в клетку минимально инвазивно, позволяя
уверенно регистрировать внутриклеточный потенциал.
(Credit: Courtesy of Charles Lieber, Harvard University)

Новое устройство, описанное в журнале Science, меньше многих вирусов – его размер составляет лишь сотую часть размера сенсоров, используемых сейчас для проведения клеточных измерений. Такие сенсоры часто имеют те же размеры, что и сами клетки. Свойственная новым устройствам гибкость заметно отличает их от громоздких зондов, которые при введении повреждают клетки, снижая точность и достоверность полученных данных.

«Использование наноразмерных полевых транзисторов, или nanoFIT (nanoscale field-effect transistors), представляет собой первый принципиально новый подход к внутриклеточным исследованиям, предложенный за последние десятилетия, так же как и первое внутриклеточное измерение с помощью полупроводникового устройства», – говорит ведущий автор разработки профессор химии Гарварда Чарльз Либер (Charles M. Lieber),. «NanoFIT – первые новые электрические измерительные инструменты для изучения внутренней среды клетки с 60-х годов прошлого века, со времени которых электроника сделала значительный шаг вперед».

Наноразмерные полевые транзисторы можно использовать для измерения потока ионов или электрических сигналов в клетках, в частности, в нейронах. Принципиально возможно также оснастить устройства рецепторами или лигандами для определения присутствия внутри клетки отдельных биохимических молекул.

Клетки человека значительно отличаются друг от друга по размерам. Если нейроны имеют размер всего 10 микрон (миллионная часть метра), то клетки сердечной мышцы – до 50 микрон. В то время как диаметр используемых сегодня датчиков составляет 5 микрон, наноразмерные полевые транзисторы меньше на несколько порядков: их общий размер меньше 50 нанометров (миллиардных частей метра), а диаметр самого нанопроволочного датчика всего 15 нанометров.

Химики и инженеры Гарвардского университета
разработали новое устройства для тонких
исследований внутренней среды клетки.
На фото показано введение двухтерминального
наноразмерного электронного сенсора
в отдельную клетку.
(Credit: Courtesy of Charles Lieber)

Помимо маленьких размеров легко входить в клетки нанодатчикам позволяет оригинальное покрытие. Либер и его коллеги обнаружили, что при покрытии структур фосфолипидным бислоем – теми же веществами, из которых построена клеточная мембрана – устройства легко «втягиваются» в клетку, сливаясь с мембраной. Этот процесс очень напоминает поглощение клетками вирусов и бактерий.

«Это избавляет от необходимости «заталкивать» нанотранзиторы в клетку, так как они по существу сливаются с клеточной мембраной с помощью внутренних механизмов самой клетки», – объясняет Либер. «Это означает, что введение nanoFIT протекает для клетки гораздо менее травматично, чем введение применяемых сейчас электрических датчиков. Мы установили, что нанотранзисторы можно многократно вводить и удалять из клетки без каких-либо заметных для нее последствий. Мы даже можем использовать их для непрерывных измерений в процессе самого введения и удаления», – добавляет ученый.