26 мая 2023, 22:00 Анна Солдатенко

Предложен новый оптический подход к тепловой стимуляции отдельной клетки

Температурные колебания, равно как и изменения концентраций биологически активных соединений или рельеф подложки, могут влиять на активность клеток. Например, длинные отростки нервных клеток растут быстрее в соответствии с локальным температурным градиентом, запущенным тепловым импульсом мышечных сокращений. Дальнейшее изучение внутриклеточной термодинамики нуждается в приборной революции, позволяющей локально контролировать термогенез на микро- и даже наноуровне, настраивать рассеивание тепла и преобразование тепловой энергии.

Сейчас разработка инструментов для задач внутриклеточной термодинамики базируется на идее наногибридов нагревателя и термометра — то есть одна конструкция и нагревает, и измеряет температуру. Однако такой подход сталкивается с рядом проблем. Среди них — сложность настройки свойств наногибридных частиц, а потому они будут отличаться друг от друга. В итоге, чтобы получить достоверные данные, на один эксперимент нужно потратить очень много образцов, но и это не гарантирует хорошую воспроизводимость в последующих исследованиях. Также многие из уже известных систем очень чувствительны к внешней среде, например кислотности — а она может значительно отличаться даже внутри одной клетки.

В своей новой работе российско-швейцарская группа предложила конструкцию наноразмерного нагревателя-термометра, свободную от перечисленных выше недостатков. Обе функции в наночастице выполняет один материал — поликристаллический алмаз, содержащий центры окраски в виде кремниевых вакансий. Благодаря наличию на межкристаллитных границах аморфного углерода, такая частица является эффективным поглотителем света и становится локальным источником тепла при освещении лазером. Центры окраски при этом служат термометром: по мере нагревания их спектральные характеристики меняются.

Разработку авторы проверили на культурах раковых клеток HeLa и нейронов, выделенных из гиппокампа мыши. В эксперименте они решили выяснить температурную зависимость динамики ионов кальция в цитоплазме — для этого применяли чувствительный к кальцию флуоресцентный краситель. Так, было показано, что локальное нагревание на 11–12°С относительно температуры окружающей среды рядом с отдельными клетками действительно меняет концентрацию металла внутри них. В случае HeLa наблюдалось длительное (порядка 30 секунд) трехкратное увеличение флуоресценции красителя (а значит, и ионов кальция), а в случае нейронов — примерно на 30% и длительностью около 0,4 миллисекунд. 

Таким образом, ученые смогли продемонстрировать состоятельность нового, полностью оптического метода, позволяющего контролировать внутриклеточную температуру на наноуровне. Подход может внести большой вклад в разработку протоколов термостимуляции живой клетки и в изучение локальных явлений теплопередачи.

Публикации из новости

Читайте также

Обнаружены новые особенности спирального антиферромагнетика GdRu2Si2
Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память.
Материаловедение
Нанотехнологии
Спектроскопия
26 декабря 2023
Покрытие с наностолбиками защитит силиконовые импланты от бактерий
Ученые из МФТИ, Института биохимии и генетики УФИЦ РАН и Тамбовского государственного технического университета разработали покрытия, которые обезопасят от микробного загрязнения импланты, вживляемые в человеческий организм.
"Умные" материалы
Материаловедение
Нанотехнологии
23 августа 2023
«Электронный нос» будет контролировать безопасность пластика вместо людей
Вместе с методами машинного обучения сенсор поможет точнее отслеживать содержание потенциально вредных веществ во вторичном пластике — отличить его от первичного уже удалось с точностью до 98,5%
Материаловедение
Машинное обучение
Нанотехнологии
Сенсоры
18 июля 2023
Электродинамическая ловушка помогла охарактеризовать четыре свойства частиц
Новый недорогой подход объединил в себе сразу несколько проверенных методик и показал свою эффективность: погрешность определения массы составила примерно 10%, размера и заряда — 16%, а плотности — 18%
Материаловедение
Нанотехнологии
Новые методики
Электродинамика
17 июля 2023
Новый биоразлагаемый наноматериал оказался способен к самодезинфекции
Он состоит из биоразлагаемых поликапролактоновых волокон с наночастицами серебра. Его можно использовать при изготовлении повязок на раны, в системах очистки воды и фильтрации воздуха
Материаловедение
Микробиология
Нанотехнологии
27 июня 2023
«Горючий лед» предложили использовать для тушения пожаров
Диссоциация их искусственных аналогов, содержащих поверхностно-активные вещества, позволит вытеснить из зоны горения кислород, понизить в ней температуру и изолировать ее пеной
Материаловедение
Термодинамика
15 июня 2023