Ieskats MIT.nano iekšienē

Divi stāvi pazemē MIT jaunākajā ēkā, divi bioloģijas pēcdoktoranti un maģistrants ir sapulcējušies ap datora monitoru, kurā redzams pelēks fons ar maziem čokiem un dažiem tumšiem plankumiem. Squiggles ir caurstrāvas proteīnu pavedieni. Lāses ir nelielas ledus kopas, kas izveidojās, kad zinātnieki ātri sasaldēja olbaltumvielas, lai atklātu noslēpumus, ko to pavedieni ir slēpuši simtiem miljonu gadu.

Olbaltumvielu pavedieni ir mazāki par 50 nanometriem augstumā un platumā. Tie parādās ekrānā, jo tie tiek pārbaudīti ar krio-EM — kriogēno elektronu mikroskopu — blakus telpā.

Lai sasniegtu šo punktu, ir nepieciešama veiksme, jo olbaltumvielas sasalšanas procesā var tikt aizsegtas vai pilnībā pazudušas. Pētnieki var pavadīt dienas šajā pagraba telpā, kad ekrānā gandrīz nav redzami izmantojami attēli.

Tagad, kad zinātniekiem ir paveicies ieraudzīt tik daudz ķeburu, viņu nākamais triks ir pamanīt tos dažus, kurus ir vērts izpētīt tuvāk. Dzīvās šūnās šie olbaltumvielu pavedieni veido Y formu. Tas Y ir būtiska sastāvdaļa, ko sauc par kodola porām, kas mums joprojām nesaprotamā veidā nosaka, kas var pārvietoties šūnas kodolā un no tā. Tomēr olbaltumvielām ekrānā reti ir tāda Y forma. Tieši pirms tie ir ieskauti ledus slānī, kas ļauj tos skenēt ar krio-EM, katra Y plaukstas un kāts mēdz saplūst. Viena roka var būt saliekta atpakaļ, bet otra karājas uz sāniem. Vairāki Y vai to biti bieži saplūst kopā.

Tāpēc šodien studente Sāra Nordīna pacietīgi meklē tādu, kas būtu pilnīgi tīra un skaidra Y formā.

Es redzu vienu — skaistu, viņa saka. Entonijs Šullers, pēcdoktorantūras struktūrbiologs, kurš strādā ar datoru, pietuvina nedaudz tuvāk viņas norādītajam šķipsnumam. Ar dažiem peles klikšķiem viņš liek krio-EM uzņemt tuvplāna attēlus, ko Nordeen var analizēt vēlāk. Ja viņa var iegūt pietiekami daudz šo labi saglabāto Y, galu galā viņa var tos apvienot, lai izveidotu šīs struktūras 3-D atveidojumu, kas viņai un citiem zinātniekiem palīdzēs labāk saprast, kā tā kalpo kā vārtsargs šūnās.

Bioloģijas profesors Tomass Švarcs vadīja centienus iegūt MIT krioEM, kas ļauj pētniekiem redzēt attēlus, kas ir mazāki par 3 angstrēm. Bobs O'Konors

Tāda ir dzīve MIT.nano – objektā, kas pagājušā gada rudenī tika atvērts Lielā kupola ēnā. Ar divām krio-EM iekārtām un citām iekārtām, kas tiks uzstādītas nākamajos gados, zinātnieki plašākā disciplīnā modelēs, būvēs un remontēs lietas atomu un molekulu mērogā.

Daži zinātnieki izmantos MIT.nano, lai izstrādātu izturīgākus kubitus kvantu datoriem. Citi var ķerties pie anodu un katodu molekulārās struktūras, lai tie nesabojātos, pagarinot bateriju kalpošanas laiku. Vēl citas grupas cer izveidot materiālus, kas optimizēti konkrētām funkcijām, pielāgojot to molekulārās struktūras, lai efektīvāk vadītu elektrību, radītu spožākas krāsas datoru displejos vai izdalītu mērķtiecīgas zāles asinsritē. MIT.nano pat būs nanomēroga mākslas programma. Mākslinieki var izmantot materiālus, ko radījuši MIT.nano pētnieki, vai izmantot ēkā esošos rīkus, lai precīzi kontrolētu veidus, kā objekti mirgo, jūt vai smaržo.

Visi šie pielietojumi ir iespējami, pateicoties arvien labākām metodēm attēlveidošanas materiāliem atomu līmenī. Mēs veidojam jaunus redzes veidus, un tad mēs redzam jaunus veidošanas veidus, prezidents L. Rafaels Reifs teica MIT.nano atklāšanas ceremonijā oktobrī.

Lai pārņemtu visu starpdisciplināro aspektu, nevienai fakultātei nebūs biroju 400 miljonu ASV dolāru vērtajā MIT.nano ēkā; tur atradīsies tikai daži desmiti darbinieku, kas pārraudzīs aprīkojumu. Mikroskopi, tīrās telpas un ražošanas iekārtas ir paredzētas cilvēkiem no departamentiem visā universitātes pilsētiņā. Atvēlētā vieta nozīmē, ka jauns aprīkojums nebūs jāievieto jau iepakotās laboratorijās, un vienlaikus var darbināt vairākas kritisko iekārtu versijas, neradot savstarpējas inficēšanās risku, tādējādi paplašinot pētniecības jaudu. Tas arī nozīmē, ka pētniekiem būs pieejams visprogresīvākais aprīkojums, kuru darbināšana un uzturēšana viņu pašu laboratorijās būtu pārāk dārga, un tas nestāvēs dīkstāvē, kad viņi to neizmanto.

Bioloģijas maģistrantūras studente Sāra Nordīna uzlika nelielu rauga kodola poru Y kompleksa paraugu trīs milimetru parauga atbalsta režģim un sasaldēja olbaltumvielas stiklveida ledus slānī krio-EM analīzei. Bobs O'Konors

Skatoties uz olbaltumvielām

Mēnešus pēc tā atvēršanas lielākā daļa MIT.nano bija tukša. Objekts — 12. ēka, kas atrodas tieši pie Bezgalīgā koridora universitātes pilsētiņas centrā — tomēr bija iespaidīga — gluda stikla un tērauda konstrukcija, no kuras paveras skats uz celiņu ar bambusa un bērzu kokiem. (To sauc par Neiespējamības pastaigu par godu mūžībā aizgājušajai institūta profesorei un nanopionierei Mildredai Dresselhausai, kura savulaik savu karjeru raksturoja kā neticamu, ņemot vērā viņas pazemīgo sākumu.) Taču, ja paskatītos, jūs varētu redzēt tīras telpas un laboratorijas telpas, kas gaida izmantot. Ir nepieciešams laiks, lai pārceltu dažus no MIT vismodernākajiem rīkiem nanomēroga lietu novērošanai un veidošanai no 39. ēkas, kas ir Microsystems Technology Laboratories mājvieta, un identificētu un savāktu līdzekļus jaunākām iekārtām, kurās ir vērts ieguldīt.

Daži MIT pavērsieni nanotehnoloģijā

• 1959. gads

  Grāmatā There’s Plenty of Room at the Bottom, runājot Caltech, Ričards Feinmens '39 raugās uz gadu desmitiem uz priekšu līdz dienai, kad zinātnieki varēs sakārtot atomus tā, kā mēs vēlamies, un radīt noderīgas mašīnas nanomērogā.

• 1960. gads

  Tiek izveidota MIT Pusvadītāju elektronikas izglītības komiteja.

• 1968. gads

  Microlab tiek atvērts 13. ēkā.

• 1972. gads

  Henrijs Smits un D.L. Spīrsa iesaka izmantot rentgena litogrāfiju, lai izgatavotu silīcija shēmas ar nanomēroga iezīmēm.

• 1984. gads

  MTL (Microsystems Technology Labs) tiek atvērts 39. ēkā.

• 1992. gads

  Mildreds Dresselhauss un kolēģi prognozē, ka varētu izgatavot pusvadītājus vai metāliskus oglekļa nanocaurules, nedaudz mainot to ģeometriju. Viņa arī sāk pētīt veidus, kā izmantot termoelektrisko efektu nano mērogā, uzsākot jaunu lauku.

• 1993. gads

  Moungi Bawendi grupa izgudro veidu, kā sintezēt nanokristālus jeb kvantu punktus.

• 1994. gads

  Roberts Langers, ScD '74, un kolēģi izmanto nanomolekulas, lai efektīvāk piegādātu zāles un ar mazākām blakusparādībām.

• turpinājums zemāk

Neatkarīgi no rosīgajām bakalaura ķīmijas laboratorijām ēkas augšējā stāvā, agrīnā darbība vietnē MIT.nano notika pagrabā. Lai ļautu darboties krio-EM un līdzīgiem instrumentiem, pagrabā ir īpašas telpas, kas ir pasargātas no elektromagnētiskā starojuma — jūs nevarat saņemt mobilā tālruņa signālu — un ir aprīkotas ar platformām, kas novērš vibrācijas no ēkas un ārējās pasaules. Krio-EM iekārta maksā apmēram 5 miljonus USD; telpa, kurā tā atrodas, ir papildus trīs vai četri miljoni. Divu atrašanās universitātes pilsētiņā ir apsveicama pārmaiņa. Pirms MIT.nano atvēršanas MIT pētniekiem bija jāaizņemas laiks vecākiem krio-EM modeļiem citās iestādēs.

Zinātnieki šāda mēroga lietas ir aplūkojuši ļoti ilgu laiku. Piemēram, rentgena kristalogrāfija radās pirms gadsimta. Tas ļāva 1953. gadā noteikt DNS struktūru. Tika izmantota kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija, ko var izmantot, lai noskaidrotu savienojuma atomu struktūru, un elektronu mikroskopi, kas raida elektronu staru uz objektu un mēra, kā tie izkliedējas. izstrādāts 1950. gados. Astoņdesmitajos gados parādījās skenēšanas tunelēšanas mikroskopi, kas var attēlot atsevišķus atomus vadošā materiālā. STM darbojas, novietojot īpaši asu galu tieši virs parauga un mērot elektronu strāvu, kas virzās no gala uz materiālu. Tad parādījās atomu spēka mikroskops, kuram ir vēl augstāka izšķirtspēja. Tas var virzīt un ražot atomus un molekulas, kā arī liecināt par darbību nevadošos paraugos, tostarp dzīvās šūnās.

Lai arī cik iespaidīgas ir šīs metodes, tās ir bijušas aklas pret lielu daudzumu bioloģiskā materiāla, no kura liela daļa nav piemērota kristalizācijai vai liela enerģijas daudzuma bombardēšanai. Krio-EM, kuru pamatā ir sasniegumi, kas 2017. gadā ieguva Nobela prēmiju ķīmijā, ir izrādījušies īpaši noderīgi, lai ļoti detalizēti izpētītu šūnās esošo lipīgo vielu.

Lai gan krio-EM tehnoloģija sāka parādīties 80. un 1990. gados, pēdējos gados tā ir kļuvusi ievērojami labāka. Uzlabojumi kameru tehnoloģijās ir ļāvuši pētniekiem uzlabot izšķirtspēju piecas vai desmit reizes: krio-EM tagad var izšķirt attēlus, kas ir mazāki par 3 angstrēm. (Angstroms, nanometra desmitā daļa, ir ūdeņraža atoma diametrs.) Un attēlam drīzumā vajadzētu kļūt daudz asākam. Tehnikas teorētiskās robežas vēl nav sasniegtas, un pašlaik izstrādātās tehnoloģijas varētu ierobežot elektronu staru radītos bojājumus šajās iekārtās, ko nodara pārbaudāmajiem paraugiem, saka Edvards Brignole, kurš MIT.nano pārrauga krio-EM.

Aprēķinot aptuveni 1 miljona atsevišķu proteīnu attēlus, Sāra Nordīna un Entonijs Šullers cer iegūt 3D atomu struktūru kompleksam. Šeit ir parādīts Nordeen prognozētais kompleksa 3D modelis.

Y formas proteīns, kas tika analizēts vietnē MIT.nano, pirmo reizi parādījās pirms aptuveni desmit gadiem, pateicoties kristalogrāfijai un citām metodēm. Tas bija būtisks sākums, lai noskaidrotu, ko tas dara kodola porās, jo proteīna funkciju nosaka struktūras, kuras dabiski veido tā aminoskābju ķēdes. Bet tikai ar tagad pieejamajiem rīkiem zinātnieki var redzēt gan pašu Y, gan savienojumus, ko tas veido ar citām kodolporu apakšvienībām.

Lai saprastu, cik mazs šeit ir mērogs, ņemiet vērā, ka Y struktūru veido tikai aptuveni 100 000 atomu, norāda Tomass Švarcs, MIT struktūras biologs, kura laboratorijā ietilpst Nordīns un Šullers. Ja mēs labāk saprastu, kā tas sader ar citiem gabaliem, mēs varētu uzzināt, kā pora ļauj, teiksim, ziņneša RNS izkļūt no kodola un olbaltumvielām iekļūt iekšā. Mēs varētu arī uzzināt, kāpēc tās vārtu novērošanas metodes nav drošas. . Kā daži vīrusi nokļūst kodolā, kur tie vairojas? Vai ir kāds veids, kā to apturēt?

Citiem biologiem, kas pārmaiņus ieslēdz krio-EM, ir dažādi jautājumi. Postdoc Xue Fei to izmanto, lai pētītu olbaltumvielas, ko baktērijas izmanto atkritumu likvidēšanai. Kacper Rogala, Vaithedas Biomedicīnas pētījumu institūta, kas ir saistīts ar MIT, pēcdoktors, pārbauda atsevišķus mTOR ceļa gabalus. Tas ir signalizācijas mehānisms, kas regulē šūnu metabolismu. Tas ir saistīts ar vēzi un ilgmūžību, un, iespējams, būs iespējams izstrādāt zāles, kuru mērķis ir ļoti specifiska mijiedarbība šajā ceļā, nevis visa lieta.

Divi jaunie MIT kriogēnie elektronu mikroskopi, kas pazīstami kā krio-EM, ir izvietoti MIT.nano uz platformām, kas novērš vides vibrācijas. Bobs O'Konors

No redzēšanas līdz pārveidošanai

Mēs esam tikai pašā nanomēroga iespēju izmantošanas sākumā, sākumā, sākumā, saka Vladimirs Bulovičs, inženierzinātņu profesors, MIT.nano direktors. Mēs sēžam viņa mājīgajā birojā ar augstiem skapjiem, augiem un koka kafijas galdiņu ēkā 13, gaitenī no jaunatvērta koridora, kas savienojas ar MIT.nano augšējo stāvu. Viņš skaidro, kāpēc aprīkojums, kas galu galā piepildīs ēku, būs pamats lietojumprogrammām, kuras mēs vēl nevaram iedomāties.

• 1999. gads

  Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, publicē Microfabrication in Tissue Engineering and Bioartificial Organs.

• 2002. gads

  Linda Grifita un kolēģi veido bioloģiskās audu struktūras uz silīcija, aknas uz mikroshēmas.

• 2006. gads

  Karls K. Berggrēns un kolēģi demonstrē nanovadu ierīci, kas spēj noteikt vienu fotonu.

• 2009. gads

  Angela Belcher un viņas komanda izmanto ģenētiski modificētus vīrusus, lai izveidotu litija jonu akumulatora galvenās sastāvdaļas.

• 2014. gads

  Scott Manalis, Belcher un Bhatia demonstrē ierīci, kas ar augstu precizitāti mēra atsevišķu nanodaļiņu masu.

• 2014. gads

  Vladimirs Bulovičs, Marks Baldo un kolēģi attēlo eksitonu, kvazidaļiņu, kas ir atbildīga par enerģijas pārnešanu nanomērogā. Eksitons ir būtisks saules baterijām, gaismas diodēm un pusvadītāju ķēdēm.

• 2018. gads

  Paula Hammond '84, PhD '93, un kolēģi izstrādā nanodaļiņas, kas šķērso hematoencefālisko barjeru pelēm, lai piegādātu vēža zāles.

Bulovičs ir veicis novatorisku darbu pie tādiem materiāliem kā kvantu punkti, nanoizmēra pusvadītāju daļiņas, kas ir noderīgas augstas izšķirtspējas televizoros, saules baterijās un bioloģiskajos pētījumos. Viņi izmanto kvantu mehāniku tādos veidos, ko nevarēja tieši novērot, pirms 1980. gados tika izgudrots skenējošais tunelēšanas mikroskops. Taču, kā norāda Bulovičs, bija vajadzīgs ilgs laiks, līdz šis konkrētais izrāviens vizualizācijā tika izmantots produktos. Viņš saka, ka sākumā mēs pavadījām savu laiku, priecājoties par atomiem. Meistarība pār atomiem nāca lēnām. 1993. gadā IBM zinātniekiem izdevās apvienot atomus konfigurācijās, kas manipulēja ar elektronu uzvedību. Bet tikai 2000. gados, saka Bulovičs, zinātnieki sāka izmantot STM novērošanas spējas konkrētu materiālu projektēšanai.

Tagad viņš sagaida, ka līdzīgs process izvērsīsies MIT.nano, kur mašīnas, kuras parasti izmantoja ļoti specializētiem eksperimentiem, kļūs par gataviem rīku komplektiem plašākai lietošanai.

Viens no profesoriem, kas pāriet no apskates uz izgatavošanu, ir Farnazs Niroui, SM '13, PhD '17, kurš tikko pievienojās inženierzinātņu fakultātei. Viņa spēj precīzi kontrolēt, kā elektroni mijiedarbojas viens ar otru materiālos, kas izstrādāti nanomērogā. Tas ir pamats ierīcēm, kas ir daudz energoefektīvākas nekā pašlaik. Tikmēr materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesore Frensisa Rosa un viņas kolēģi dokumentē tieši to, kas notiek, kad noteikta veida vadošās molekulas pašorganizējas nanovados. Ja šādas atziņas ļauj ieaudzēt vadus jaunos materiālos, kas zina, kādas elektroniskās ierīces no tiem tiks izgatavotas?

Sniedzot citu piemēru, Bulovičs sniedzas pēc plastmasas gabala ar melniem taisnstūriem. Tas ir elastīga, taču īpaši efektīva saules bateriju tipa prototips, kas absorbē vairāk gaismas viļņu garumu nekā mūsdienu fotoelektriskās ierīces. Lai to izdarītu, zinātniekiem ir jāmācās ar minerālu, kas pazīstami kā perovskīti, molekulārajām īpašībām, kas var iegūt saules enerģiju. Bulovičs saka, ka cilvēki, kas nākamajos gados staigās pa MIT.nano, varētu ieskatīties un ieraudzīt zinātniekus, kas smērē ar perovskītu bagātas pastas uz plastmasas loksnēm, cenšoties pilnveidot tehnoloģiju.

MIT.nano direktors un inženierzinātņu profesors Vladimirs Bulovičs. Bobs O'Konors

Bulovičs piemin šo iespēju izcelt tīras enerģijas pētījumus, kas tiek veikti, izmantojot MIT starpdisciplinārās programmas, piemēram, GridEdge Solar, kuras mērķis ir palielināt vieglu, elastīgu saules bateriju ražošanu. Taču viņš to arī pievērš, lai atzīmētu MIT.nano caurspīdīgo raksturu. Liela daļa no tā, kas notiks iekšā, izņemot bioloģiskos pētījumus, būs turpinājums darbam, kas gadiem ilgi ir bijis aktīvs Microsystems Technology Labs — nodaļā, kuru katrs savulaik vadīja Bulovičs, Reifs un prāvests Martins Šmits. Bet šeit, Bulovičs saka, lietas būs atklātākas.

Bulovičs atceras, ka pirms vairākiem gadiem viņu apmeklēja kinorežisors, kurš teica: Zini, Vladimir, jūs, puiši, šeit, MIT, jūs esat kā noslēpumu katls. Lietas vienkārši izlec no katla, bet mēs īsti nezinām, kas ir zupa. Parādi mums zupu! Tas ir tādā garā, saka Bulovičs, ka visur ir logi.

Mēs vēlamies, lai jūs varētu ieskatīties, viņš saka. Jūs nesapratīsiet, kas tieši notiek, bet jūs redzēsit aktivitāti. Jūs redzēsit cilvēkus, kas ir nodevušies savam amatam, un jūs brīnīsities par to, kā viņiem veicas — X, Y vai Z.

Tikpat svarīgi, viņš saka, ir tas, lai cilvēki, kas atrodas tīrajās telpās un citās laboratorijās, redzētu ārā. Mēs nodrošinām, ka varat skatīties ārpus MIT.nano un redzēt bērzu mirgošanu un bambusa šūpošanos, viņš saka. Ārpusē ir pasaule, kas ir atkarīga no tā, vai jūs attīstāt svarīgas lietas.

paslēpties