Но новый метод трансмутации живых клеток в более долговечные материалы, которые не поддаются распаду и могут выдерживать мощные зонды, расширяет исследовательские возможности для биологов, которые разрабатывают методы лечения рака, отслеживают эволюцию стволовых клеток или даже пытаются понять, как пауки изменяют качество шелк они прядут.
Простой метод на основе диоксида кремния также предлагает материаловедам возможность «фиксировать» небольшие биологические объекты, такие как красные кровяные тельца, в более коммерчески полезные формы.
И, по крайней мере теоретически, этот метод может преобразовывать естественно выращенные объекты, такие как печень и селезенка домашнего скота, в неорганические реплики «зомби», которые одновременно функционируют в различных масштабах длины, от макро до нано, более изощренными способами, чем самое современное оборудование может производить.
"Зачем создавать предметы, если природа сделает это за вас?"- спрашивает ведущий исследователь Брайан Каер из Sandia National Laboratories Министерства энергетики США.
Необычный метод был предметом статей в Proceedings of the National Academy of Sciences, Journal of the American Chemical Society (JACS) и в декабре.
8, Nature Communications.
Первоначальное понимание пришло, когда Каэр и тогдашний докторант Университета Нью-Мексико (УНМ) Джейсон Таунсон обнаружили, что используемая ими кремнеземная суспензия обладает неожиданным свойством: при достаточно низком уровне pH молекулы кремнезема вместо свертывания друг с другом , привязанные только к поверхностям, на которые они опирались, образуя тончайшее из покрытий.
Каэр задавался вопросом, может ли подобное покрытие на биологических клетках укрепить клеточные структуры, чтобы их можно было исследовать в течение более длительных периодов времени с помощью более мощных инструментов. Поэтому исследователи поместили культивированные тканевые клетки в раствор кремнезема и дали смеси затвердеть в течение ночи.
Потом повысили температуру, чтобы биоматериал сгорел. То, что осталось, на удивление, было идеально воспроизведенными клетками, похожими на рядные стеклянные домики.
Но реплицированные клетки были настолько прочными, что Каэр предположил, что суспензия должна была покрыть клетки как внутри, так и снаружи. Разбив ряд ячеек, как крошечное стекло, команда исследовала их внутренности с помощью электронного микроскопа.
Они обнаружили, что действительно скопировали наноскопические органеллы клетки, а также ее внешний вид. Они открыли способ создания почти идеальной подделки диоксида кремния биологического организма, начиная с его общей формы и заканчивая наноструктурами.
Этот первоначальный результат уже используется биологами в Финляндии для создания трехмерных моделей, которые сохраняют различные стадии стволовых клеток по мере их эволюции до их окончательной формы, сказал сотрудник Sandia и соавтор статьи Джефф Бринкер, который также является профессором UNM.
Таунсон, в настоящее время преподаватель в UNM, использует этот метод для исследования движения наночастиц, борющихся с раком, вставленных в куриные клетки до их преобразования в кремнезем. «С помощью оптической микроскопии трудно сформировать изображение взаимодействия наночастиц с клетками при сохранении трехмерного контекста», — сказал он.
Биорепликация, при которой образец можно механически препарировать и исследовать с помощью электронного микроскопа, обеспечивает лучшее трехмерное разрешение в наномасштабе.
По словам Бринкера, этот метод также используется в Оксфордском университете в Англии для изучения внутренних биологических изменений, с помощью которых пауки создают различные типы шелка, настраивая свои механизмы на лету (так сказать) для создания более толстых или более липких прядей.
Кровь как возможное сырье
В статье JACS Каер и его коллеги показали, что они могут использовать кремнеземную технику для внесения постоянных изменений в природные объекты. Они ввели химические вещества, которые превратили красные кровяные тельца из жизненно важных объектов в остроконечные сферы.
Путем внесения суспензии кремнезема в чашку, содержащую измененные эритроциты, и давая смеси затвердеть, Каер и его коллеги сделали изменение постоянным. Сжигая прототип протоплазмы, команда осталась с микрочастицами, которые могут быть полезны в резиновых композитах, созданных производителями шин, которые обычно вставляют сферы из диоксида кремния в свои шины для дополнительной прочности.
По словам Каера, производителям больше не потребуется энергоемкая фабрика для изготовления вставляемого материала, который с помощью биорепликации будет формироваться легко и дешево.
«Наш метод имеет хороший потенциал по сравнению с традиционными добавками диоксида кремния, а его сырье — кровь — считается отходом мясной промышленности», — сказал он.
По его словам, помимо отходов пищевой промышленности «существует огромное количество безвредных бактерий, которые мы могли бы использовать для создания других форм.«Бактерии сложнее собрать, — сказал он, — потому что они защищены двойной оболочкой от проникновения кремнезема, но это можно сделать.
В статье Nature Communications Каер и его коллеги сделали шаг вперед в том же методе. Они взяли печень, погрузили ее в раствор кремнезема, а затем нагрели в анаэробных условиях, чтобы получить затвердевшую, карбонизированную, точную копию печени в масштабе от сантиметра до нанометра.
«Мы позволяем природе делать всю работу, — сказал он, — потому что мы еще не знаем, как точно построить объект в шести масштабах длины, от сантиметра до нанометра.
«Подумайте об электродах в батареях», — сказал он. "Это трехмерный вопрос. Например, в печени и селезенке эволюция уже оптимизировала абсорбцию и диффузию в трехмерной организации. Печень — удивительно эффективный орган с огромной площадью поверхности для абсорбции и беспрецедентной способностью выделять материалы в каналах от крупных артерий до капилляров шириной в несколько микрометров.
«Если мы перенесем иерархическую структуру печени на электрод, вместо того чтобы иметь просто пассивный кусок твердого материала, у нас была бы большая площадь поверхности на объем, больший запас энергии и создание, которое уже оптимизировано для вывода жидкостей и мелкие частицы на гораздо более крупные магистрали, такие как крупные вены и артерии.«Карбонизированный метод также может использоваться для лучшего исследования рака и других новообразований без часто утомительных и дорогостоящих процессов, которые обычно необходимы для« исправления », обработки и стабилизации органического материала для исследования, чтобы предотвратить его разрушение при электронно-лучевом анализе.
Углерод, поскольку он проводит электричество, а не поглощает его, не ослабляется и не разрушается, как протоплазма.
Это творческое рассмотрение возможностей природного мира новыми и головокружительными способами согласуется со спонсором исследования Kaehr — Управлением науки Министерства энергетики США, которое заинтересовано в «исследовании, открытии и разработке биомиметических материалов», — сказал он.
Части этой работы были выполнены в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики, совместно возглавляемом национальными лабораториями Лос-Аламоса и Сандиа.
