Ny teknik lader forskere lave tusindvis af nanotråde, i stand til at optage intracellulære signaler, på samme tid

Maskiner bliver hyggelige med vores celler. Indbyggelige sensorer registrerer, hvordan og hvornår neuroner affyres; elektroder gnister hjerteceller til at slå eller hjerneceller til at fyre; neuron-lignende enheder kunne endda tilskynde til hurtigere genvækst efter implantation i hjernen.

Snart, såkaldte hjerne-maskine-grænseflader kunne gøre endnu mere:overvåge og behandle symptomer på neurologiske lidelser som Parkinsons sygdom, give en plan for at designe kunstig intelligens, eller endda aktivere hjerne-til-hjerne-kommunikation.

For at opnå det tilgængelige og quixotiske, enheder har brug for en måde at dykke dybere ned i vores celler for at udføre rekognoscering. Jo mere vi ved om, hvordan neuroner fungerer, jo mere vi kan efterligne, replikere, og behandle dem med vores maskiner.

Nu, i et blad udgivet i Natur nanoteknologi , Charles M. Lieber, professor ved Joshua og Beth Friedman University, præsenterer en opdatering til hans originale nanoskala-enheder til intracellulær optagelse, den første nanoteknologi udviklet til at optage elektrisk chatter inde i en levende celle. Ni år senere, Lieber og hans team har designet en måde at lave tusindvis af disse enheder på én gang, skabe en hær i nanoskala, der kunne fremskynde indsatsen for at finde ud af, hvad der sker inde i vores celler.

Før Liebers arbejde, lignende enheder stod over for en Goldilocks gåde:For stor, og de ville optage interne signaler, men dræbe cellen. For lille, og de formåede ikke at krydse cellens membran - optagelser endte med at blive støjende og upræcise.

Liebers nye nanotråde var helt rigtige. Designet og rapporteret i 2010, originalerne havde en "V"-formet spids i nanoskala med en transistor i bunden af ​​"V". Dette design kunne gennembore cellemembraner og sende nøjagtige data tilbage til holdet uden at ødelægge cellen.

Men der var et problem. Silicium nanotrådene er langt længere, end de er brede, gør dem vaklende og svære at skændes. "De er lige så fleksible som kogte nudler, " siger Anqi Zhang, en kandidatstuderende i Lieber Lab og en af ​​forfatterne på holdets seneste værk.

For at oprette de originale enheder, laboratoriemedlemmer var nødt til at fange en nanotrådsnuddel ad gangen, find hver arm af "V, " og væv derefter ledningerne ind i optageenheden. Et par enheder tog 2 til 3 uger at lave. "Det var meget kedeligt arbejde, " siger Zhang.

Men nanotråde laves ikke én ad gangen; de er lavet i massevis ligesom de ting, de ligner:kogt spaghetti. Ved at bruge den nanocluster-katalyserede damp-væske-fast metode, som Lieber brugte til at skabe de første nanotråde, holdet bygger et miljø, hvor ledningerne kan spire af sig selv. De kan forudbestemme hver lednings diameter og længde, men ikke hvordan ledningerne placeres, når de er klar. Selvom de vokser tusinder eller endda millioner af nanotråde ad gangen, slutresultatet er et rod af usynlig spaghetti.

For at løse rodet, Lieber og hans team designede en fælde til deres løst kogte nudler:De laver U-formede skyttegrave på en siliciumwafer og kæmmer derefter nanotrådene hen over overfladen. Denne "kæmme"-proces løser rodet og aflejrer hver nanotråd i et pænt U-formet hul. Derefter, hver "U"-kurve får en lille transistor, ligner bunden af ​​deres "V"-formede enheder.

Med "kæmme" metoden, Lieber og hans team færdiggør hundredvis af nanowire-enheder på samme tid, som de brugte til at lave et par. "Fordi de er meget velafstemte, de er meget nemme at kontrollere, " siger Zhang.

Indtil nu, Zhang og hendes kolleger har brugt de "U"-formede nanoskalaenheder til at optage intracellulære signaler i både neurale og hjerteceller i kulturer. Belagt med et stof, der efterligner følelsen af ​​en cellemembran, nanotrådene kan krydse denne barriere med minimal indsats eller beskadigelse af cellen. Og, de kan optage intracellulær chatter med samme præcisionsniveau som deres største konkurrent:patch clamp-elektroder.

Patch-klemmeelektroder er omkring 100 gange større end nanotråde. Som navnet antyder, værktøjet klemmer fast på en celles membran, forårsager uoprettelig skade. Patch clamp-elektroden kan fange stabil optagelse af de elektriske signaler inde i cellerne. Men, Zhang siger, "efter optagelse, cellen dør."

Lieber-teamets "U"-formede enheder i nanoskala er mere venlige over for deres celleværter. "De kan indsættes i flere celler parallelt uden at forårsage skade, " siger Zhang.

Lige nu, apparaterne er så skånsomme, at cellemembranen skubber dem ud efter cirka 10 minutters optagelse. For at udvide dette vindue med deres næste design, holdet kan tilføje en smule biokemisk lim til spidsen eller gøre kanterne ru, så tråden fanger mod membranen.

Nanoskala-enhederne har en anden fordel i forhold til patch-klemmen:De kan optage flere celler parallelt. Med klemmerne, forskere kan kun indsamle nogle få celleoptagelser ad gangen. Til denne undersøgelse, Zhang optog op til ti celler på én gang. "Potentielt, det kan være meget større, " siger hun. Jo flere celler de kan optage ad gangen, jo mere kan de se, hvordan netværk af celler interagerer med hinanden, som de gør i levende væsner.

I færd med at skalere deres nanotrådsdesign, holdet bekræftede også en langvarig teori, kaldet krumningshypotesen. Efter at Lieber opfandt de første nanotråde, forskere spekulerede i, at bredden af ​​en nanotråds spids (bunden af ​​"V" eller "U") kan påvirke en celles reaktion på ledningen. Til denne undersøgelse, holdet eksperimenterede med flere "U"-kurver og transistorstørrelser. Resultaterne bekræftede den oprindelige hypotese:Celler som en smal spids og en lille transistor.

"Videnskabens skønhed for mange, os selv inkluderet, har sådanne udfordringer for at drive hypoteser og fremtidigt arbejde, " siger Lieber. Med skalerbarhedsudfordringen bag sig, holdet håber at fange endnu mere præcise optagelser, måske inden for subcellulære strukturer, og registrere celler i levende væsner.

Men for Lieber, én hjerne-maskine-udfordring er mere lokkende end alle andre:"at bringe cyborgs til virkelighed."