Новини за науката и технологиите

когато

Тихоокеанската северозападна национална лаборатория (PNNL) е част от непрекъснат екип на Националната научна фондация (NSF), разследващ въздействието на наночастиците върху околната среда на молекулярно ниво.

Изследването на наноматериалите представлява изключително мащабно предизвикателство. Изчезващо малки, наноматериалите са направени от частици, по-малки от 100 нанометра. Нанометърът е една милиардна част от метъра. За сравнение лист хартия изглежда изключително дебел: широк 100 000 нанометра.

Използвайки техника за флуоресцентна микроскопия със супер разделителна способност, наречена STORM, съдбата на наночастиците (червени) вътре в непокътнатите клетки може да бъде изследвана с нанометрова резолюция. Някои от наночастиците навлизат в клетката чрез покрити с клатрин везикули (зелени), както се посочва от близостта им. Изображение предоставено от Галя Ор и Дехонг Ху

Те са древни и естествени, част от пейзажа на Земята в продължение на поне 4,5 милиарда години. Пясъкът например е наноматериал, създаден от ерозия. Наноматериалите обаче са същества и от индустриалната епоха. През последните 250 години те неволно са хвърлени във въздуха, водата и земята в резултат на добив, земеделие, производство, транспорт и други човешки дейности.

През последните около 50 години наноматериалите са умишлено проектирани, за да се възползват от различните им химични, физични и електрически свойства. От медицина и козметика до енергетика и космическа техника, наноматериалите могат да бъдат намерени в бои, лекарства с рецепта, паста за зъби, батерии, превръзки, слънцезащитни продукти и дори чорапи.

Проектираните наночастици достигат до околната среда със скорост от около 0,3 тераграма годишно. Тераграмът е мярка за тегло, равна на 1 трилион грама. Това е малка част в сравнение с естествените наночастици, като праха, създаден от еони от изветрели скали. Но всяка година се произвеждат повече наночастици за повече приложения.

Например в медицината наноматериалите могат да пренасят лекарствени молекули в тялото с впечатляващо голямо съотношение на повърхността към масата. Техният малък размер им позволява да проникнат с точност в клетките и органите.

Технологиите с наночастици имат обещанието да подобрят вече съществуващите процеси ― например индустриалната катализа ще стане по-бърза, по-ефективна и по-устойчива. При катализа наноматериалите означават, че се изисква по-малко материал ― и повече от този материал вече е в реактивно състояние, готов да ускори химическите трансформации.

Изследване на наночастици

Нивото на експресия на 10 гена се определя количествено едновременно в отговор на клетъчното излагане на наночастици литиев кобалтов оксид. Тези наночастици се използват в литиеви батерии и е вероятно да стигнат до околната среда след изхвърляне. Клетъчните ядра са показани в синьо, а различните цветни точки са преписи за различните гени. Кредит за изображение: PNNL

През лятото на 2020 г. PNNL бе обявена за партньорска институция в продължаваща петгодишна безвъзмездна помощ от 20 милиона щатски долара за изследвания на молекулярно ниво върху трансформацията, взаимодействията и въздействието на различни наноматериали, освободени в околната среда. Участват 12 институции в девет държави. Сред тях PNNL е единствената национална лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ.

Този нов грант е от отдела по химия на NSF, който продължава да финансира Центъра за устойчива нанотехнология (CSN), мултиинституционален изследователски център, базиран в Университета на Уисконсин-Мадисън. CSN е основана през 2012 г., а PNNL е първият партньор.

Изследователите от PNNL ще използват експертни познания и инструменти в EMSL - Лабораторията за молекулярни науки за околната среда, потребителско съоръжение на американския департамент по енергетика, разположено в кампуса на PNNL. EMSL е специализирана в биологични и биогеохимични изследвания в молекулярни мащаби.

Проблеми със здравето

За около последните 20 години съвременното повсеместно разпространение на наноматериалите ги превърна в обект на интензивно изследване по отношение на потенциалните ефекти върху здравето. Едно от притесненията е, че толкова малки частици могат да влязат в тялото и лесно да се плъзнат в кръвта или белодробната тъкан.

CSN е фокусиран върху трансформацията на молекулярно ниво и ефектите от тези технологично значими наноматериали. По-конкретно, изследователите, финансирани от обновената безвъзмездна помощ, имат за цел да предсказват разбирането за съдбата на инженерните наноматериали, след като попаднат във въздуха, водата, почвата и човешкото тяло.

„Проектираните наноматериали отдавна не са в околната среда“, казва професорът по химия от Университета на Уисконсин-Мадисън и директорът на CSN Робърт Хамерс. „Така че биологичните системи не са се приспособили към предизвикателствата, които представляват, оставяйки потенциал за по-голямо въздействие върху околната среда.“

Изследователи от PNNL и другаде питат: Какви молекулярни събития се случват на границата на наноматериалите и биологичните системи в околната среда? Как могат да бъдат смекчени отрицателните въздействия?

PNNL играе роля

В PNNL, главният изследовател на гранта на NSF е ученият Галя Ор, молекулярен биолог, активен в изследванията на CSN в продължение на почти 8 години.

„Разбирането на тези процеси и взаимодействия на молекулярно ниво ще позволи проектирането и синтеза на по-безопасни наноматериали от следващо поколение“, каза тя, „наноматериали, които поддържат„ висока производителност, като същевременно засягат минимално биологичните системи “.

Използвайки корелативна атомно-силова микроскопия (горе вляво) и флуоресцентна микроскопия със супер разделителна способност (долу вляво), за да се изобрази същата клетка, беше установено, че някои наночастици (червени) предпочитат свързването със специализирани нанодомени, наречени липидни салове (зелено), в клетъчната мембрана . Насложеното изображение е показано вдясно, където вмъкването в горния десен ъгъл показва увеличение на областта, маркирана от пунктирания квадрат. Клетъчното ядро ​​е показано в синьо. Кредит за изображение: PNNL

Една от основните мисии на CSN, каза Ор, е „да идентифицира критични молекулярни и биохимични процеси, които се случват на границата между наноматериалите и биологичните системи“.

Това означава да се използват представителни клетъчни типове и организми, за да се съсредоточи върху молекулярните реакции и въздействия върху околната среда. В тази сфера PNNL се възползва от използването на EMSL и неговия уникален персонал и инструменти. Orr посочи експертизата на EMSL в изобразяването на субдифракционна флуоресцентна картина на единична молекула в живи клетки. Тези техники на биофизична микроскопия могат да откриват и анализират единични флуоресцирани молекули по начин, който едва нарушава биологичните образци.

Тази способност, каза Ор, подобрява изследването на молекулярните и биохимичните процеси в непокътнатите хидратирани клетки. Важно е, че такива изследвания се провеждат при нанометрови пространствени разделителни способности и с висока химическа селективност - и двете специалности EMSL. При количествен анализ на единични клетки, учените от PNNL също използват свързана способност на EMSL, каза Ор: „супер резолюция и други техники на флуоресцентна микроскопия“ в комбинация с атомно-силова микроскопия.

Микроскопията с атомна сила се използва за сканиране на повърхността на клетката за изследване на нейната топография. Технологията използва конзола с остър връх, която сканира, когато се отклонява към проба от атомни сили. Полученото изображение има разделителна способност, измерена във фракции от нанометър. С такива технологии под ръка технологичната връзка PNNL-EMSL подобрява изследването на молекулярните и биохимичните процеси на границата на непокътнатите клетки и наноматериали.

Обещанието за нанотехнологии

CSN, Центърът за устойчиви нанотехнологични изследвания, е един от центровете за химически иновации на NSF, на които е възложено да извършат фундаментални изследвания върху „големите предизвикателства в областта“, каза Дейвид Берковиц, директор на Химическия отдел, който ръководи подобни центрове. Той нарече изследването на CSN „ключов елемент в индустриите на бъдещето“. С основателна причина.

При размери по-малки от 100 нанометра и с разнообразни форми и свойства на материала, наночастиците са включени в композитни материали, като наночастиците силициев диоксид, използвани в съвременните гумени гуми. Наноглините подобряват здравината на полимерите и правят възможно бъдещето на нефтните полимери.

Наноматериалите също обещават като неутрализатори на хлорорганични съединения в замърсени водоносни хоризонти и са в основата на технологиите за квантово изобразяване на точки, молекулярни магнити и наножиците, необходими за молекулярната електроника. Нещо повече, наноматериалите имат огромни повърхности спрямо техните размери, свойство, желано например в каталитични приложения. Една чаена лъжичка силициеви наносфери, всеки 10 нанометра в диаметър, има повече повърхност, отколкото дузина тенис кортове, използвани за игра на двойки.

За да се добави към тяхната гъвкавост, наночастиците могат да бъдат органични, като липозоми и разклонени молекули, наречени дендримери. Те могат да бъдат и неорганични, като квантови точки и златните наночастици, използвани в сензори, сонди и диагностични устройства.

Въпреки всичките си обещания и нарастващата им полезност в индустрията и медицината, наночастиците предизвикват предпазливост. Те не само могат лесно да се плъзнат в белодробната тъкан или кръвта, те могат да взаимодействат с живата тъкан на нивото на една клетка.

Частици хамелеон

В тази сфера на взаимодействия на наночастици с единични живи клетки Ор и нейният екип превъзхождат. В миналото Ор е характеризирал наночастиците ― с огромните им съотношения между повърхността и масата и реактивната природа ― като „малки хамелеони“, които могат да се променят бързо, след като взаимодействат с биологичните системи. Тази бърза реактивност затруднява поведението им, след като са били вдишани или погълнати, тъй като те имат способността да представят себе си клетъчни компоненти или системи за доставка на кислород като везикули в белите дробове.

Тяхната непредсказуемост е една от най-важните точки на това, което Берковиц нарече „голямото предизвикателство“ за разбирането на взаимозаменяемостта на биологичните системи с наночастиците. Оказва се, че попаднали в организмите или клетките, наночастиците са химически топчета. Ще рекетират ли, причинявайки щети ― или ще спечелят играта? Дали ще бъдат биосъвместими или биотоксични?

За живите клетки отговорът е: или, или и двете - хлъзгава реалност поради непрекъснато променящата се реактивност и химичните състояния на наночастиците. В блог за CSN Orr обсъжда два примера: наночастици цериев диоксид, оксид на редкия земен метал церий, използван като полиращ агент, и наночастици цинков оксид, използвани в слънцезащитните продукти.

Измерване на избягването

Тогава предизвикателството става как да се измери променящото се химично състояние на тези наночастици в крехките, хидратирани живи клетки. За тази цел Ор и нейният изследователски екип използват техники като флуоресцентна микроскопия със супер разделителна способност за изследване на наночастици в органела с нанометрова резолюция.

Използвайки флуоресцентна микроскопия за изобразяване на клетки, изложени на положително заредени силициеви наночастици, изследователите установиха, че наночастиците (червени) са склонни да се агрегират в малки вътреклетъчни везикули заедно със синдекан-1 (зелен), клетъчна мембрана протеогликан, който взаимодейства с наночастиците и опосредства тяхното движение везикула. Клетките и ядрата са очертани с пунктирани бели линии. Кредит за изображение: PNNL

Но е трудно.

От една страна, химическите свойства на наноматериалите изглежда зависят от това къде се намират частиците в една клетка. Тези свойства също зависят от това колко бързо се разграждат наноматериалите. Когато това се случи, екипът на Orr е открил, че наночастиците обикновено причиняват най-голяма вреда.

Orr и нейният екип също използват рентгенова микроскопия, за да получат така наречените морфометрични данни, за да визуализират какво се случва в и извън живите клетки. Техниката сдвоява мощен микроскоп с генерирани от синхротрон рентгенови лъчи в разширения източник на светлина на Националната лаборатория „Лорънс Бъркли.

С друга техника на визуализация, изследователите на PNNL използват диференциален интерференционен контрастен микроскоп, за да уловят движението на наночастиците при навлизане в клетките. В друга публикация в блога на CSN, която включва филм с молекулен мащаб, Orr сравнява движението с наночастици, сърфиращи вълни.

По всички тези начини PNNL допринася за отключването на пъзела от нано-био взаимодействия, нова динамика, която е едновременно благодат и притеснение. В крайна сметка конструираните наночастици представляват нарастващ проблем, който се нуждае от внимание - видът, който NSF Center, PNNL, Orr и други могат да му дадат.