Zīda vērpšana sensoros

Zīdtārpiņu kokonus, kas ar kastīti no Japānas nosūtīti uz Tuftas universitātes optikas laboratoriju, piedzīvos savādāks liktenis nekā tiem, kas tiek sūtīti uz tekstilrūpnīcām visā pasaulē. Tā vietā, lai tās tiktu ieaustas aizkaros vai apģērbā, spēcīgās proteīna šķiedras, ko kāpuri reiz ap sevi savērpuši, tiks izmantotas optisku materiālu veidošanai, kas var kalpot par pamatu sensoriem un citām ierīcēm. Bioinženieris Fiorenzo Omenetto, kurš rada ierīces, galu galā cer izveidot implantējamus, bioloģiski noārdāmus sensorus, kas varētu palīdzēt uzraudzīt pacientu progresu pēc operācijas vai izsekot hroniskām slimībām, piemēram, diabētu.

Fiorenco Omenetto uz Tufts bioinženieru ēkas kāpnēm, kur viņš ražo zīda optiskās ierīces.

Omento saprata, ka zīds ir piemērots ne tikai krekliem un kaklasaitēm, viņš saka, kad viņam izdevās sarunāties ar Deividu Kaplanu, Tufta biomedicīnas inženierijas nodaļas vadītāju, ar kuru viņš ir kopīgs gaitenis. Kaplan pārvērš zīda proteīnus šūnām draudzīgās sastatnēs bioloģisko audu inženierijai, tostarp radzenes implantiem. Audu inženieri iecienījuši spēcīgāko zināmo dabīgo šķiedru, zīdu, jo tas ir mehāniski izturīgs, bet organismā nekaitīgi sadalās.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Izglītots par fiziķi, Omeneto saprata, ka, ja no zīda izveidojas labas mākslīgās radzenes, no tā varētu izveidot arī labas optiskās ierīces. Kā izrādās, viņš saka, darbojas gan viņa izgatavotās zīda ierīces, gan tās, kas izgatavotas no tradicionāliem optiskiem materiāliem, piemēram, stikla un plastmasas – dažos gadījumos pat labāk. Un atšķirībā no šiem materiāliem zīds nav jāapstrādā augstā temperatūrā vai ar skarbām ķīmiskām vielām.

Tas ir viens no iemesliem, kāpēc zīds ir tik labi piemērots izmantošanai biosensoros: tā kā zīda ierīces var ražot saudzīgā vidē, ir iespējams tajās iekļaut papildu bioloģiskās molekulas (piemēram, olbaltumvielas), kad tās tiek būvētas. Šīs molekulas kalpo kā sensori, kas pēc integrēšanas zīda ierīcēs var palikt aktīvi gadiem ilgi. Ierīcēs, kuras izstrādā Omenetto un Kaplan, optiskajā materiālā iestrādātie proteīni efektīvi saistās ar mērķi, piemēram, skābekli vai baktēriju proteīnu; kad tas notiek, sensora raidītā gaisma maina krāsu.

Optiskā recepte
Omenetto recepte sākas ar zīdtārpiņa Bombyx mori savērptiem kokoniem. Viņš saka, ka vispirms jūs nogriežat kokonu un izņemat tārpu — par lielu vegānu sarūgtinājumu. Vecākā pētniece Karmena Preda pēc tam vāra kokonus šķīdumā, kas satur sāls nātrija karbonātu. Tas palīdz izšķīdināt sericīnu, lipīgu glikoproteīnu, kas satur kokonus kopā, bet izraisa imūnreakcijas cilvēkiem. Pēc zīda šķiedru izžūšanas tās izšķīdina litija bromīda šķīdumā. Kad tas atdziest, Preda izmanto šļirci, lai to ievietotu dialīzes kārtridžā. Viņa to ievieto ūdens vārglāzē, kas izvelk sāli.

Kasetnē ir palicis dzidrs, viskozs attīrīta proteīna zīda fibroīna šķīdums. Preda ar šļirci izņem šo zīda sīrupu no kārtridža un ievieto mēģenē; tas ir Omenetto optisko komponentu izejmateriāls. Ja viņš vēlas izmantot komponentus biosensorā, viņš šajā posmā var pievienot proteīnu, kura mērķauditorija ir noteikta molekula, piemēram, skābekli saistošais hemoglobīns. Jums ir šis jauks ūdens bāzes risinājums, kurā varat sajaukt jebko, saka Omenetto.

Hemoglobīns ir salīdzinoši stabils proteīns, bet zīda materiāli var arī saglabāt mazāk elastīgu proteīnu, piemēram, fermentu, aktivitāti. Kā pārbaudes gadījumu Tufts pētnieki ir izveidojuši zīda struktūras, kas satur gaistošu mārrutku enzīmu, ko sauc par peroksidāzi; glikozes sensori var ietvert heksokināzi, fermentu, kas saistās ar cukuru.

Veidnes, ko izmanto, lai zīda proteīna šķīdumu veidotu optiskās ierīcēs, ir veidotas ar nanomēroga iezīmēm. Šādas smalkas detaļas ir svarīgas optikā, jo gaisma vislabāk mijiedarbojas ar elementiem tādā mērogā, kas nav lielāks par tās paša viļņa garumu — apmēram 400 līdz 700 nanometri redzamās gaismas gadījumā. Laboratorijas apkārtējā gaismā plastmasas veidņu nanorakstu apgabali mirdz maigi, piemēram, āliņģa čaumalas iekšpuse.

Viena no pētnieku izveidotajām ierīcēm ir hologramma, kas parāda, ka zīdam ir tāda pati daudzpusība kā citiem optiskiem materiāliem. Laboratorijas solā postdocs Džeisons Amsdens izmanto pipeti, lai uzklātu zīda šķīdumu uz veidnes, kurā ir iegravēts Tufts logotips. Viņš atstāj veidni uz letes istabas temperatūrā apmēram astoņas stundas — pietiekami ilgi, lai olbaltumvielas izveidotu elastīgu, neregulāru ovālu, kurā logotips ir attēlots trīsdimensiju zaigojošu rozā un zilu toņu zīmējumā.

Citās laboratorijas veidnēs dažāda veida optiskās ierīces jau ir pabeigušas žāvēšanu. Amsden izvēlas vienu un maigi noloba to no veidnes, izmantojot pinceti. Ierīce ir caurspīdīga sarkana karte, kas piesūcināta ar hemoglobīnu un rakstīta ar vairākiem optiskiem elementiem, tostarp difrakcijas režģi, kas sadala balto gaismu tās sastāvdaļu krāsās.

Zīda sensori
Karte darbojas kā vienkāršs skābekļa sensors: caur to plūstošā gaisma nedaudz maina viļņa garumu atkarībā no tā, cik daudz skābekļa ir saistījies ar iegulto hemoglobīnu. Šīs izmaiņas nevar redzēt ar neapbruņotu aci, bet tās var noteikt ar fotodiode, mikroshēma, kas pārvērš gaismu elektriskā strāvā. Ja uz sensora uzliek, piemēram, ar skābekli bagātu asiņu pilienu, hemoglobīns no tā ievelk skābekli, un fotodiodes reģistrētais gaismas viļņa garums mainās.

Skābeklis ir tikai viens iespējamais Omenetto ierīču mērķis. Režģi ar tajos iestrādātām antivielām un fermentiem varētu sajust gandrīz jebkuru medicīniski interesantu molekulu, vai tā būtu glikoze vai audzēja marķieris. Un Tufts pētnieki paredz ne tikai laboratorijas sensorus, bet arī implantējamus. Īpaši svarīga būs viena Omenetto izstrādātā lietojumprogramma: zīda optiskās šķiedras gaismas pārnešanai no ādas virsmas uz implantētajiem sensoriem un atpakaļ, lai to varētu nolasīt ar fotodetektoru. Sensorus var implantēt operāciju laikā, piemēram, audzēja rezekcijas laikā, un pēc tam tos izmantot, lai uzraudzītu pacientus, vai nerodas infekcijas vai atkārtota vēža pazīmes. Omenetto un Kaplan arī cer integrēt sensorus nākotnes audu inženierijas struktūrās, kas palīdzētu ārstiem izsekot, cik labi jauni audi tiek iekļauti organismā. Ierīces nekaitīgi izšķīst kopā ar pārējām audu atbalsta struktūrām.

Omenetto saka, ka nākotnes sensoriem būs dizains, kas izraisīs dramatiskākas krāsu izmaiņas, kad sensori saistās ar saviem mērķiem. Lai izveidotu sensorus, kurus var nolasīt ar neapbruņotu aci, viņš iedvesmu smēlies no cita kukaiņa – morfo tauriņa. Tā mirdzošo zilo krāsu nosaka nevis pigmenti, bet gan veids, kā gaisma mijiedarbojas ar nanomēroga proteīnu pīlāriem uz tās spārniem. Mainot pīlāru struktūru, tiek novērsta krāsa. Omenetto iedomājas zīda bāzes sensoru, kas veidots ar nanomēroga struktūrām, kas padara to zilu; mērķa molekula, kas saistās ar olbaltumvielām sensorā, smalki mainītu nanostruktūras, liekot krāsai mainīties vai izzust. Omenetto saka, ka pamattehnoloģijas, kā to izdarīt, ir ieviestas; tas vienkārši ir jautājums par pareizo veidņu dizainu.

paslēpties