Визуализация нервного импульса от фотостимуляции
Rastogi et al. / The Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
Ученые изобрели способ оптической стимуляции клеток при помощи фототермических преобразователей из пушистого графена, выращенных на кремниевой нанопроволоке. Он дает возможность отказаться от оптогенетики, так как гораздо точнее ее, безопаснее и позволяет исследовать трехмерные клеточные культуры. Статья опубликована в The Proceedings of the National Academy of Sciences.
Обычные нервные клетки живого организма можно превратить в светочувствительные. Главным способом для этого в последние годы была оптогенетика: клетки заражают вирусоподобными элементами — вирусными векторами — которые передают ей генетический материал и заставляют вырабатывать светочувствительный белок — опсин. Опсин лежит в основе световой чувствительности глаза, и снабженные им клетки начинают передавать импульс при стимуляции лазером.
В первую очередь, это используют для исследования клеточных культур in vitro, но иногда метод применяется и в других целях: например, с его помощью удалось восстановить зрение полностью ослепших обезьян. Однако, у оптогенетики есть ограничения. В первую очередь, поскольку модификации подвергается вся клетка, из-за чего при наличии нескольких слоев невозможно простимулировать нижний, не задев верхний. Во-вторых, виральные векторы могут повредить клеткам. В качестве альтернативы можно вместо выработки опсина внедрять фототермические элементы на основе золота, но они требуют большой мощности излучения, которая вредит ткани.
Сахил Расторжи (Sahil K. Rastogi) из Университета Карнеги — Меллона в Питсбурге и его коллеги придумали, как заставить клетки реагировать на слабый свет без использования оптогенетики. Для этого они взяли проволоку из кремния наноскопической толщины и вырастили вдоль нее хлопья графена.
Схематическое изображение пушистого графена и его микроскопическое изображение
Rastogi et al. / The Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
В результате получилась пушистая конструкция, в которой расстояние между каждым кусочком примерно 0,1-0,2 нанометров. За счет большой площади поверхности структура эффективно поглощает свет (около 95 процентов), вырабатывая тепло. Под воздействием милисекундного импульса зеленого лазера мощностью два милливатта температура повышается на два градуса, что на несколько порядков больше, чем при использовании золотых фототермических элементов.
Для эксперимента ученые вырастили культуру нейронов спинального ганглия крыс и ввели в нее суспензию пушистого графена с водой. Спустя сутки электронная микроскопия показала, что графенно-кремниевые композиты не проникли внутрь клеток, а осели на мембране, что минимизирует вероятность повредить или отравить нейроны. Затем на графен начали светить лазером, отчего он нагревался и передавал тепло мембране. В результате резкого перепада температуры менялась ее электрическая емкость, под действием чего мембрана теряла поляризацию, что приводило к передаче нейроном импульса.
Главное преимущество нового метода заключается в удобстве работы с многослойными трехмерными клеточными структурами. Поскольку графенно-кремниевые композиты по размеру гораздо меньше клетки, можно выбирать, какие из них осветить тонким лучом. Следовательно, таким образом можно попасть в фототермический элемент нижнего слоя, намеренно промахиваясь мимо графена верхнего слоя. За счет этого можно исследовать работу не только двумерных, но и сложных объемных клеточных структур.
Ранее исследователям удалось сделать из графена прозрачную однопиксельную камеру и аномальную термопару, которая использует единственное вещество.
Василий Зайцев