Нанотрубки передают биологические импульсы

Ученым удалось разработать метод передачи сигнала через искусственную липидную мембрану, подобную мембране живой клетки, используя кремниевые нанотрубки толщиной 20-40 нанометров.

Результаты работы поспособствуют развитию интеграции биологических и электронных систем. В частности, появится возможность с помощью электрических сигналов наблюдать за биологическими процессами, происходящими внутри клеток, не нарушая их целостности.

До сих пор никому не удавалось использовать электронные устройства для контроля за потоками ионов через биологические мембраны, необходимыми для межклеточной коммуникации. Команда под руководством Александра Ноя (Aleksandr Noy), биохимика из Национальной Лаборатории Лоренса в Ливерморе штата Калифорния (Lawrence Livermore National Laboratory in California, LLNL), сделала это, используя кремниевые нанотрубки, встроенные в двухслойную липидную мембрану. Нанотрубки были также способны превращать поток ионов через мембрану в электрический сигнал. Ученые сообщили о своем открытии буквально на днях в публикации в журнале Proceeding of the National Academy of Sciences.

Ранее другие исследователи также работали с нанотрубками, покрытыми липидными мембранами. Нанотрубки сами по себе гидрофильны, что делает их идеальной основой для липидной мембраны. Но впервые удалось научиться как посылать, так и принимать сигналы, проходящие через биологические мембраны, используя электронные устройства. «Устройство может управлять белками, раскручивая и сворачивая их, изменяя их активность», — сообщает Ной.

Переключение каналов

Ной и его коллеги покрыли кремниевую нанотрубку двухслойными липидами, затем ввели бактериальный протеин, так называемый грамицидин А, внутрь мембраны для образования канала, через который могли проходить протоны и небольшие положительно заряженные ионы. Как только протоны начинали двигаться, исследователи регистрировали электрический сигнал в нанотрубке. Они также имели возможность регулировать усиление в ней сигнала, используя ионы кальция для блокировки каналов, подобно тому, как это происходит в живых клетках.

Следующим этапом исследований было использование аламетицина, белка грибкового происхождения, который, как и грамицидин А, включается в мембрану и формирует в ней каналы. Прикладывая напряжение к нанотрубке, ученые получали возможность встраивать этот белок в структуру таким образом, что канал открывался, и ионы могли проходить через мембрану.

Кеннет Доусон (Kenneth Dawson), биохимик из Колледжа Университета в Дублине (University College Dublin), так отзывается об этой важной работе: «Я был потрясен. Важно то, что авторам работы с помощью создания электрического поля в кремниевой трубке удалось управлять белками таким же образом, как это происходит в организме. Они смогли воспроизвести механизм функционирования белковых каналов».

Он также считает, что устройство является первым шагом на пути создания зонда, который сможет определять молекулярный состав и процессы живой клетки.

«В природе масса необычных белков, способных делать удивительные вещи. Я думаю, мы обязаны использовать их потенциал для создания более утонченных функциональных систем. Пока мы далеки от практического применения результатов нашего исследования, хотя прогресс в отрасли нанотрубок и сенсоров ошеломляющий. Мы надеемся найти практическое применение нашим теоретическим наработкам в ближайшие пять лет или, возможно, даже раньше», — говорит Ной.

По материалам:
NatureNews

Более подробную информацию можно найти здесь: Misra, N. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA advance online publication doi:10.1073/pnas.0904850106 (2009); Huang, S. C. et al. Nano Lett. 7, 3355-3359 (2009).