Nanopiller giver mere præcis molekylær fotografering

(PhysOrg.com) - Et forskerhold fra Stanford bruger glødende nanopiller til at give biologer, neurologer og andre forskere en dybere, mere præcist kig på levende celler.

Som ord går, evanescent ser ikke nok brug. Det er et kunstfærdigt udtryk, hvis skønhed modsiger dens sande betydning:flygtig eller uddø hurtigt. James Dean var flygtig. De sidste stråler af en solnedgang er flygtige. Alt det forsvinder, imidlertid, er ikke tabt, som et hold af Stanford-forskere demonstrerede i en nylig artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences. Faktisk, i de rigtige hænder, evanescens kan have en varig effekt.

Stanford-teamet – ledet af kemiker Bianxiao Cui og ingeniør Yi Cui (ingen relation), med lærde Chong Xie og Lindsey Hanson – har skabt en cellulær forskningsplatform, der bruger nanopiller, der lyser på en sådan måde, at biologer, neurologer og andre forskere en dybere, mere præcist kig på levende celler.

"Dette nye belysningssystem er meget præcist, " sagde Bianxiao Cui, undersøgelsens seniorforfatter og assisterende professor i kemi ved Stanford. "Nanopillar-strukturerne tilbyder i sig selv mange fordele, der gør denne udvikling særligt lovende for studiet af menneskelige celler."

Langvarige udfordringer

For at forstå potentialet i dette gennembrud, det er nyttigt at forstå udfordringerne ved tidligere former for molekylær billeddannelse, som skinner lys direkte på motivområdet i stedet for at bruge baggrundsbelysning, som i denne tilgang.

Forskere håber på bedre, mindre molekylær billeddannelse har i årevis været bundet i håndjern af en fysisk begrænsning af, hvor lille et område de kunne fokusere på - et område kendt som observationsvolumenet. Det mindste observationsvolumen har længe været begrænset til bølgelængden af ​​synligt lys, omkring 400 nanometer. Individuelle molekyler, selv lange proteiner, der er almindelige i biologi og medicin, er meget mindre end 400 nanometer.

Det er her evanescens kommer ind i billedet. Stanford-teamet har med succes brugt kvartsnanopiller, der lyser lige nok til at give lys at se ved, men svag nok til at slå under 400 nanometer barrieren. Lysfeltet, der omgiver de glødende nanopiller – kendt som "evanescensbølgen" – dør ud inden for omkring 150 nanometer fra søjlen. Voilà – en lyskilde mindre end lysets bølgelængde. Stanford-forskerne vurderer, at de har skrumpet observationsvolumenet til en tiendedel af størrelsen af ​​tidligere metoder.

Særligt løfte

Stanford nanopillar billeddannelsesteknikken er særligt lovende i cellulære undersøgelser af flere årsager. Først, det er ikke-invasivt – det skader ikke den celle, der bliver observeret, en undergang af nogle tidligere teknologier. For eksempel, en levende neuron kan dyrkes på platformen og observeres over lange perioder.

Sekund, nanopillerne stifter i det væsentlige cellerne på plads. Dette er lovende for studiet af neuroner i særdeleshed, som har tendens til at bevæge sig over tid på grund af den gentagne affyring og afslapning, der er nødvendig for at studere.

Til sidst, og måske vigtigst af alt, Stanford-holdet fandt ud af, at ved at modificere kemien på overfladen af ​​nanopillerne kunne de tiltrække specifikke molekyler, de ønsker at observere. I bund og grund kan de håndplukke molekyler til at studere selv i det overfyldte og komplekse miljø i en menneskelig celle.

"Vi ved, at proteiner og deres antistoffer tiltrækker hinanden, " sagde Bianxiao Cui. "Vi beklæder søjlerne med antistoffer, og de proteiner, vi vil se på, trækkes lige til lyskilden - ligesom primadonnaer til rampelyset."

Sætter scenen

For at skabe deres nanopiller, Stanford-teamets medlemmer begynder med et ark kvarts, som de sprayer med fine guldprikker i et scattershot-mønster – Jackson Pollock-stil. De ætser derefter kvartsen ved hjælp af en ætsende gas. Guldprikkerne beskytter kvartsen direkte nedenunder fra ætseprocessen, efterlader høje, tynde søjler af kvarts.

Forskerne kan kontrollere højden af ​​nanopillerne ved at justere den tid, ætsegassen er i kontakt med kvartsen, og diameteren af ​​nanopillerne ved at variere størrelsen på guldprikkerne. Når ætsningsprocessen er færdig, og søjlerne er skabt, de tilføjer et lag platin til den flade flade af kvarts ved bunden af ​​søjlerne.

Indstillingen er noget ud af en futuristisk John Ford-film - Monument Valley gengivet i kvartskrystal. Det eneste, der mangler, er en diligence og John Wayne. I denne verden, en bred ørken af ​​platin strækker sig til horisonten, afbrudt af og til af gennemsigtige pigge af krystallinsk kvarts, der rejser sig flere hundrede nanometer fra dalbunden.

Stanford-forskerne skinner derefter et lys nede fra deres skabelse. Den uigennemsigtige platin blokerer det meste af lyset, men en lille mængde rejser op gennem nanopillerne, som lyser mod det mørke felt af platin.

"Nanopillerne ligner lidt små lyssabler, " sagde Yi Cui, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, "men de giver den helt rigtige mængde lys til at tillade videnskabsmænd at gøre nogle ret fantastiske ting - som at se på individuelle molekyler."

Holdet har skabt en enestående platform til at dyrke og observere menneskelige celler. Platinet er biologisk inert, og cellerne vokser over og klæber tæt til nanopillerne. De glødende spir mødes derefter med fluorescerende molekyler i den levende celle, får molekylerne til at gløde - giver forskerne lige det lys, de skal bruge for at kigge ind i cellerne.

"Så, ikke kun har vi fundet en måde at belyse volumener en tiendedel så små som tidligere metoder - så vi kan se på mindre og mindre strukturer - men vi kan også vælge og vrage, hvilke molekyler vi vil observere, " sagde Yi Cui. "Dette kunne bevise netop den slags transformative teknologi, som forskere i biologi, neurologi, medicin og andre områder er nødt til at tage det næste spring fremad i deres forskning."