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.