Ученые Института теоретической и
экспериментальной биофизики РАН, Института общей физики им А. М. Прохорова РАН
и федерального научного центра EPFL, Лозанна, Швейцария, создали новый метод
прецизионного ультралокального контроля термодинамических явлений внутри живой
клетки.
Результаты их исследований опубликованы в свежем
номере журнала Scientific Reports, Nature.
В публикации описывается разработанный учеными
уникальный нанодевайс – специально синтезированный наноалмаз с расположенными
внутри него термосенсорами и графитизированной поверхностью, благодаря которой
осуществляется его разогрев. При малой мощности сфокусированного лазерного
излучения наноалмаз не нагревается и работает только в режиме термометра –
измеряя эндогенные ультралокальные температурные градиенты по сдвигу частоты
излучения от возбужденных кремниевых центров окраски вблизи 738 nm. При
повышенной мощности лазерного излучения наноалмаз работает в режиме и
нагревателя и термометра, позволяя выставить свою собственную температуру с
точностью, превосходящей 0,1 градуса.
Ведущий научный сотрудник, зав.
Лабораторией цитотехнологии ИТЭБ РАН, к.ф.-м.н. Вадим Эгонович Цееб,
инициатор и исполнитель этого проекта, так прокомментировал это исследование:
«Термодинамика является одним из самых фундаментальных разделов физики,
поскольку ее законы носят безапелляционный общий характер, вплоть до
космологического уровня, и описывают они способы передачи и превращения энергии в различных системах, в том числе и в живой
клетке. В применении к клеточной физиологии прецизионное экспериментальное
изучение внутриклеточных термодинамических событий на микро/нано уровне до сих
пор было практически невозможно из-за отсутствия необходимого инструментария.
Представленный новый метод создает
абсолютно новое научное направление – экспериментальная внутриклеточная
термодинамика. Операционная простота и чувствительность этого полностью
оптического подхода позволяют с беспрецедентной пространственной и амплитудной
точностью термически активировать процессы в выделенных нано/микрообъемах живой
клетки. Причем чувствительность метода такова, что позволяет детектировать не
только теплопродукцию от одиночных экзотермических реакций, но и выделение
Joule Heat от электрических токов на открытых одиночных ионных каналах».
В связи с тем, что стационарные температурные
градиенты вблизи наноразмерных источников тепла в водной среде являются очень
резкими – десятки градусов на субмикронных дистанциях, метод, описанный в
представленной публикации, фактически является Nanoscale Temperature Clamp
Method.
Все внутриклеточные химические и биофизические
процессы имеют свой термодинамический след – выделение, поглощение и перераспределение
тепла, структурные перестройки, фазовые переходы, необратимые энтропийные
явления должны выражаться в измеримых локальных градиентах температуры
обусловленных тепловой мощностью локальной внутриклеточной теплопродукции и
теплопроводящими свойствами внутриклеточной среды. Для выяснения этих вопросов
был разработан наноразмерный инструмент – прецизионный
нанотермометр/нанонагреватель.
Вадим Эгонович таким
образом прокомментировал создание наноприбора: «Разработанный нами –
прецизионный нанотермометр/нанонагреватель, совмещающий в себе свойства
нагревателя и термометра, который в сочетании со своей наноразмерностью, в
полностью оптическом режиме работы должен на первый взгляд обладать
недостижимыми характеристиками. Однако, эксперименты, проведенные в
лабораториях LBEN (Nanoscale Biology) и BBP (Blue Brain Project), EPFL,
Lausanne, Switzerland, показали эффективность нового метода для решения
множества фундаментальных и прикладных задач термодинамики нано/микро размерных
систем, которые ранее не поддавались экспериментальному изучению».
Работы ученых по инструментальному погружению во
внутриклеточную термодинамику продолжались на протяжении 19 лет и впервые
начались в 2004 г. (ИТЭБ РАН, Waseda University, Tokyo, Japan). В 2023 г.
успешно завершилась разработка предельно совершенного наноалмазного метода (при
поддержке фонда HFSP Program Grant RGP0047/2018 (ИТЭБ РАН, HFSP Страсбург,
Франция)».
Публикация: Nanoscale
thermal control of a single living cell enabled by diamond heater-thermometer |
Scientific Reports.
Источник: ИТЭБ РАН.