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Nanodrähte, die sich wie Zellen verhalten
Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory haben Silizium-Nanodraht-Transistoren in einer Membran versiegelt, die denen ähnelt, die biologische Zellen umgeben. Diese Hybridgeräte, die ähnlich wie Nervenzellen funktionieren, könnten verwendet werden, um bessere Schnittstellen für Gliedmaßen und Cochlea-Implantate herzustellen. Sie könnten auch als Biosensoren für die medizinische Diagnostik gut funktionieren.
Hybrid-Nanodraht: Der im Mikroskopbild (oben) gezeigte Silizium-Nanodraht ist mit einer Fettmembran bedeckt, die denen ähnelt, die biologische Zellen umgeben. Das untere Bild zeigt die zwei Schichten von Lipidmolekülen, die den Nanodraht umgeben und ihn von der Umgebung abdichten. Über einen Ionenkanal, hier in Lavendel dargestellt, können Ionen die Membran passieren.
Die biologische Kommunikation ist hochentwickelt und bleibt in der heutigen Elektronik, die auf elektrischen Feldern und Strömen beruht, unerreicht. Zellen im menschlichen Körper nutzen viele zusätzliche Kommunikationsmittel, darunter Hormone, Neurotransmitter und Ionen wie Kalzium. Der Nexus der biologischen Kommunikation ist die Zellmembran, eine Doppelschicht aus Fettmolekülen, die mit Proteinen besetzt sind, die als Gatekeeper fungieren und die ersten Schritte der biologischen Signalverarbeitung durchführen.
Alexander Noy , ein Chemiker am National Lab, gab Silizium-Nanodrähten eine Zellmembran in der Hoffnung, eine bessere Bioelektronik herzustellen. Wenn man moderne Mikroelektronik dazu bringen kann, mit lebenden Organismen zu sprechen, kann man effizientere Prothesen oder neuartige Biosensoren für die medizinische Diagnostik herstellen, sagt Noy. Wenn beispielsweise die Elektroden, die eine Prothese mit dem Nervensystem verbinden, chemische statt nur elektrische Signale lesen könnten, könnte die Person, die sie trägt, die Prothese besser kontrollieren.
Noy begann mit der Herstellung von Arrays aus Silizium-Nanodraht-Transistoren – Reihen von Drähten mit einem Durchmesser von 30 Nanometern, die an beiden Enden durch elektrische Kontakte begrenzt sind – unter Verwendung von Methoden, die von anderen Forschern entwickelt wurden. Die Arrays wurden in eine Mikrofluidik-Vorrichtung platziert. Noys Gruppe nutzte die Mikrofluidik, um Hohlkugeln aus Fettmembranmolekülen zu liefern. Die Kugeln werden von den negativ geladenen Oberflächen der Nanodrähte angezogen, wo sie sich ansammeln und miteinander verschmelzen, um eine kontinuierliche Membran zu bilden, die jeden Nanodraht vollständig versiegelt, genau wie eine biologische Membran den Inhalt einer Zelle versiegelt. Nackte Nanodraht-Transistoren zeigen eine messbare Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften, wenn sie sauren oder basischen Lösungen ausgesetzt werden; die membrangeschützten Nanodrähte nicht, denn die Fettschicht verschließt die aggressive Lösung – genau wie eine biologische Zellmembran.
Um den beschichteten Nanodrähten elektrische Tore zu verleihen – im Wesentlichen ein Mittel, um sie auf die umgebende chemische Umgebung ansprechen zu können – fügte Noy Proteine hinzu, um Ionenkanäle zu bilden, die den Fluss geladener Atome und Moleküle durch Zellmembranen steuern. Mit den Nanodrähten in Lösung gebracht, fügen sich diese Proteine in die Membran ein. Noys Gruppe testete die Geräte mit zwei Arten von Ionenkanälen: einen, der immer kleine, positiv geladene Ionen durchlässt, und einen, der dies nur als Reaktion auf eine Spannungsänderung tut, die durch den Nanodraht erzeugt werden kann. Dieses auf Spannung reagierende Protein wird häufig verwendet, um elektrische Signale von Nervenzellen nachzuahmen. Die Nanodrähte mit Ionenkanälen konnten das Vorhandensein von Ionen in der Lösung erkennen. Indem der Nanodraht verwendet wird, um eine Spannungsdifferenz über die Membran zu erzeugen, kann das auf Spannung ansprechende Protein geöffnet und geschlossen werden, wodurch der Nanodraht seine Fähigkeit zur chemischen Wahrnehmung effektiv ein- oder ausschalten kann. Das Neuron ist in gewisser Weise ein gutes Analogon, sagt Noy über diese Geräte.
Noys Arbeit, beschrieben diese Woche im Proceedings of the National Academy of Sciences , öffnet neue Wege, weil es die Nanodrähte mehr wie Zellen macht, sagt Yi Cui , Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik an der Stanford University. Mit Charles Lieber , Chemiker an der Harvard University, hat Cui Silizium-Nanodrähte zu sehr empfindlichen Sensoren gemacht, indem die Nanodrähte mit Antikörpern beschichtet wurden. Die Sensoren könnten beispielsweise für Krebs charakteristische Blutproteine erkennen. Noys Arbeit, sagt Cui, sei eine wirklich kreative Möglichkeit, einen Transistor in eine Zellmembran zu integrieren. Durch die Beschichtung der Nanodrähte kann Noy alles nutzen, was biologische Zellmembranen zu bieten haben, einschließlich der Fähigkeit, Spannungsänderungen zu erkennen und darauf zu reagieren, sowie Ionen, Proteine und andere Biomoleküle. Dieser Funktionsumfang sei mit Antikörpern nicht zu erreichen, sagt Cui.
Als nächstes plant Noy, komplexere Nanodraht-Hybrid-Bauelemente zu entwickeln. Bisher ist jedes Gerät mit nur einem Ionenkanaltyp ausgestattet, was die Komplexität der ausführbaren Funktionen einschränkt. (Biologische Zellen sind mit vielen verschiedenen Membranproteinen beschichtet.)
Die Forscher werden auch beginnen, die Interaktionen der Geräte mit lebenden Zellen zu testen. Andere Forscher, einschließlich Peidong Yang an der University of California, Berkeley, und Harvards Lieber, haben nackte Silizium-Nanodrähte verwendet, um sich mit Neuronen, Stammzellen, Herzzellen und anderen Geweben zu verbinden. Sie haben gezeigt, dass die Nanodrähte auch innerhalb einzelner Zellen elektrische Signale mit sehr hoher räumlicher Auflösung senden und empfangen können. Noys erste Arbeit bleibt ein Proof of Concept.